Ondulações em uma rede de átomos de telúrio formados em telureno de três camadas na Rice University mostram vários politipos - diferentes arranjos atômicos com base em como as camadas são empilhadas - com propriedades eletrônicas e ópticas distintas. Crédito:Ajayan Research Group / Rice University
Da maneira como as coisas costumam acontecer na ciência, Amey Apte não estava procurando telúrio bidimensional enquanto fazia experiências com materiais na Rice University. Mas era isso.
"É como se eu tentasse encontrar um centavo e, em vez disso, encontrasse um dólar, " ele disse.
Apte e seus colegas fizeram telúrio, um metal raro, em um filme com menos de um nanômetro (um bilionésimo de um metro) de espessura, derretendo um pó do elemento em alta temperatura e soprando os átomos em uma superfície. Ele disse que o material resultante, telureno, mostra promessa para a próxima geração, células solares de infravermelho próximo e outras aplicações optoeletrônicas que dependem da manipulação da luz.
O jackpot magro é descrito em Materiais 2D.
"Eu estava tentando cultivar um dichalcogeneto de metal de transição, ditelureto de tungstênio, mas porque o tungstênio tem um alto ponto de fusão, era difícil, "disse Apte, um estudante de pós-graduação no laboratório de arroz do cientista de materiais Pulickel Ajayan e co-autor do artigo. "Mas observei alguns outros filmes que me chamaram a atenção."
Os outros filmes revelaram ser cristais ultrafinos de telúrio puro. Outros experimentos levaram os pesquisadores a criar o novo material em duas formas:filme consistente com cerca de 6 nanômetros de espessura que cobriu uma superfície centimétrica quadrada, e um filme de três camadas atômicas que media menos de um nanômetro de espessura.
Simulações de telureno de três camadas dispostas sobre uma imagem microscópica do material criado na Rice University mostram a precisão de como ondulações em uma folha do material forçariam os átomos em três configurações distintas. Embora conectado, esses politipos têm diferentes propriedades eletrônicas e ópticas. Crédito:Ajayan Research Group / Rice University
"Os dichalcogenetos de metais de transição estão na moda hoje em dia, mas esses são todos materiais 2D compostos, "Disse Ajayan." Este material é um único elemento e mostra tanta riqueza estrutural e variedade quanto um composto, então o telúrio 2D é interessante tanto do ponto de vista teórico quanto experimental. Camadas de calcogênio de elemento único de espessura atômica seriam interessantes, mas não foram muito estudadas. "
Imagens tiradas com o poderoso microscópio eletrônico de Rice mostraram que as camadas atômicas tinham se organizado precisamente como a teoria previa, como folhas hexagonais semelhantes ao grafeno ligeiramente deslocadas umas das outras. O telureno, feito em 650 graus Celsius (1, Forno de 202 graus Fahrenheit) por fusão do pó de telúrio a granel, também parecia estar suavemente curvado de uma maneira que sutilmente muda as relações entre os átomos em cada camada.
"Por causa disso, vemos diferentes politipos, o que significa que a estrutura cristalina do material permanece a mesma, mas o arranjo atômico pode diferir com base em como as camadas são empilhadas, "Apte disse." Neste caso, os três politipos que vemos sob o microscópio combinam com estruturas teoricamente previstas e têm arranjos de rede completamente diferentes que dão a cada fase propriedades diferentes. "
"A anisotropia no plano também significa que as propriedades de absorção óptica, transmissão ou condutividade elétrica serão diferentes nas duas direções principais, "disse a estudante de pós-graduação de Rice e co-autora principal Elizabeth Bianco." Por exemplo, telureno pode mostrar condução elétrica até três ordens de magnitude maior do que o dissulfeto de molibdênio, e seria útil em optoeletrônica. "
Modelos de computador criados por cientistas da University of Southern California mostram as energias de ligação entre átomos em telureno sintetizado na Rice University. As três camadas do telureno ultrafino não estão perfeitamente alinhadas, dando ao material propriedades metálicas e semicondutoras. Crédito:Ajayan Research Group / Rice University
Filmes mais espessos de telúrio também foram feitos sob vácuo à temperatura ambiente por meio de deposição de laser pulsado, que explodiu átomos em massa e lhes permitiu formar uma película estável em uma superfície de óxido de magnésio.
Tellurene pode ter propriedades topológicas com benefícios potenciais para spintrônica e magneto-eletrônica. "Os átomos de telúrio são muito mais pesados que o carbono, "Apte disse." Eles mostram um fenômeno chamado acoplamento spin-órbita, que é muito fraco em elementos mais leves, e permite física muito mais exótica, como fases topológicas e efeitos quânticos. "
"A coisa fascinante sobre o telureno que o diferencia de outros materiais 2D é sua estrutura cristalina única e alta temperatura de fusão, "disse o co-autor Ajit Roy, cientista de materiais do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea na Base Aérea de Wright-Patterson em Dayton, Ohio. "Isso nos permite expandir o envelope de desempenho da optoeletrônica, termelétricas e outros dispositivos de película fina. "
