p Borofeno - folhas finas de átomo bidimensional (2-D) de boro, um elemento químico tradicionalmente encontrado no isolamento de fibra de vidro - é tudo menos enfadonho. Embora o boro seja um semicondutor não metálico em sua forma volumosa (3-D), ele se torna um condutor metálico em 2-D. O borofeno é extremamente flexível, Forte, e leve - ainda mais do que seu análogo à base de carbono, grafeno. Essas propriedades eletrônicas e mecânicas exclusivas tornam o borofeno uma plataforma de material promissora para dispositivos eletrônicos de última geração, como wearables, sensores de biomolécula, detectores de luz, e computadores quânticos. p Agora, físicos do Laboratório Nacional Brookhaven e da Universidade de Yale do Departamento de Energia dos EUA (DOE) sintetizaram borofeno em substratos de cobre com domínios de cristal único de grande área (variando em tamanho de 10 a 100 micrômetros) (para referência, um fio de cabelo humano tem cerca de 100 micrômetros de largura). Anteriormente, apenas flocos de cristal único de borofeno de tamanho nanométrico foram produzidos. O avanço, relatado em 3 de dezembro em Nature Nanotechnology , representa um passo importante para tornar possíveis dispositivos baseados em borofeno práticos.

p Para aplicações eletrônicas, cristais únicos de alta qualidade - arranjos periódicos de átomos que continuam por toda a estrutura cristalina sem limites ou defeitos - devem ser distribuídos em grandes áreas do material de superfície (substrato) em que são cultivados. Por exemplo, os microchips de hoje usam cristais únicos de silício e outros semicondutores. A fabricação do dispositivo também requer uma compreensão de como diferentes substratos e condições de crescimento impactam a estrutura de cristal de um material, que determina suas propriedades.

p "Aumentamos o tamanho dos domínios de cristal único por um fator de um milhão, "disse o co-autor e líder do projeto Ivan Bozovic, cientista sênior e líder do Molecular Beam Epitaxy Group no Departamento de Física da Matéria Condensada e Ciência dos Materiais do Brookhaven Lab (CMPMS) e professor adjunto de física aplicada na Universidade de Yale. "Grandes domínios são necessários para fabricar dispositivos eletrônicos de próxima geração com alta mobilidade de elétrons. Elétrons que podem se mover fácil e rapidamente através de uma estrutura de cristal são essenciais para melhorar o desempenho do dispositivo."

p Um novo material 2-D

p Desde a descoberta do grafeno em 2004 - uma única folha de átomos de carbono, que pode ser descascado do grafite, o principal componente dos lápis, com fita adesiva - os cientistas estão em busca de outros materiais 2-D com propriedades notáveis. As ligações químicas entre os átomos de carbono que conferem ao grafeno sua força tornam a manipulação de sua estrutura difícil.

p Os teóricos previram que o boro (ao lado do carbono na Tabela Periódica, com um elétron a menos) depositado em um substrato escolhido apropriadamente poderia formar um material 2-D semelhante ao grafeno. Mas essa previsão não foi confirmada experimentalmente até três anos atrás, quando os cientistas sintetizaram borofeno pela primeira vez. Eles depositaram boro em substratos de prata sob condições de ultra-alto vácuo através de epitaxia de feixe molecular (MBE), uma técnica de crescimento de cristal camada por camada atômica precisamente controlada. Logo depois, outro grupo de cientistas cultivou borofeno em prata, mas eles propuseram uma estrutura cristalina totalmente diferente.

p "O borofeno é estruturalmente semelhante ao grafeno, com uma rede hexagonal feita de átomos de boro (em vez de carbono) em cada um dos seis vértices que definem o hexágono, "disse Bozovic." No entanto, o borofeno é diferente por ter periodicamente um átomo de boro extra no centro do hexágono. A estrutura cristalina tende a ser teoricamente estável quando cerca de quatro em cada cinco posições centrais estão ocupadas e uma está vaga. "

p De acordo com a teoria, enquanto o número de vagas é fixo, seu arranjo não é. Desde que as vagas sejam distribuídas de forma a manter a estrutura mais estável (menor energia), eles podem ser reorganizados. Por causa dessa flexibilidade, borofeno pode ter várias configurações.

p Um pequeno passo em direção à fabricação do dispositivo

p Neste estudo, os cientistas investigaram primeiro o crescimento em tempo real de borofeno em superfícies de prata em várias temperaturas. Eles cultivaram as amostras em Yale em um microscópio eletrônico de ultra-alto vácuo e baixa energia (LEEM) equipado com um sistema MBE. Durante e após o processo de crescimento, eles bombardearam a amostra com um feixe de elétrons em baixa energia e analisaram os padrões de difração de elétrons de baixa energia (LEED) produzidos quando os elétrons foram refletidos da superfície do cristal e projetados em um detector. Como os elétrons têm baixa energia, eles só podem atingir as primeiras camadas atômicas do material. A distância entre os elétrons refletidos ("pontos" nos padrões de difração) está relacionada à distância entre os átomos na superfície, e a partir desta informação, os cientistas podem reconstruir a estrutura do cristal.

p Nesse caso, os padrões revelaram que os domínios de borofeno de cristal único tinham apenas dezenas de nanômetros de tamanho - pequenos demais para fabricar dispositivos e estudar propriedades físicas fundamentais - para todas as condições de crescimento. Eles também resolveram a controvérsia sobre a estrutura do borofeno:ambas as estruturas existem, mas eles se formam em diferentes temperaturas. Os cientistas confirmaram seus resultados LEEM e LEED por meio de microscopia de força atômica (AFM). No AFM, uma ponta afiada é digitalizada sobre uma superfície, e a força medida entre a ponta e os átomos na superfície é usada para mapear o arranjo atômico.

p Para promover a formação de cristais maiores, os cientistas então mudaram o substrato de prata para cobre, aplicando o mesmo LEEM, LEED, e técnicas de AFM. Os cientistas de Brookhaven, Percy Zahl e Ilya Drozdov, também fotografaram a estrutura da superfície em alta resolução usando um microscópio de tunelamento (STM) customizado com uma ponta de sonda de monóxido de carbono no Centro de Brookhaven para Nanomateriais Funcionais (CFN) - um Departamento de Energia dos EUA (DOE) Recurso de usuário do Office of Science. Os teóricos de Yale Stephen Eltinge e Sohrab Ismail-Beigi realizaram cálculos para determinar a estabilidade das estruturas obtidas experimentalmente. Depois de identificar quais estruturas eram mais estáveis, eles simularam os espectros de difração de elétrons e imagens STM e os compararam com os dados experimentais. Esse processo iterativo continuou até que a teoria e o experimento estivessem de acordo.

p "A partir de percepções teóricas, esperávamos que o cobre produzisse cristais únicos maiores porque interage mais fortemente com o borofeno do que a prata, "disse Bozovic." O cobre doa alguns elétrons para estabilizar o borofeno, mas os materiais não interagem muito a ponto de formar um composto. Não são apenas os únicos cristais maiores, mas as estruturas do borofeno no cobre são diferentes daquelas cultivadas na prata. "

p Porque existem várias distribuições possíveis de vagas na superfície, várias estruturas de cristal de borofeno podem surgir. Este estudo também mostrou como a estrutura do borofeno pode ser modificada pela mudança do substrato e, em alguns casos, a temperatura ou taxa de deposição.

p A próxima etapa é transferir as folhas de borofeno das superfícies de cobre metálico para substratos compatíveis com dispositivos de isolamento. Então, os cientistas serão capazes de medir com precisão a resistividade e outras propriedades elétricas importantes para a funcionalidade do dispositivo. Bozovic está particularmente animado para testar se o borofeno pode ser transformado em supercondutor. Alguns teóricos especularam que sua estrutura eletrônica incomum pode até abrir um caminho para a transmissão sem perdas de eletricidade à temperatura ambiente, em oposição às temperaturas ultracold normalmente exigidas para supercondutividade. Em última análise, o objetivo na pesquisa de materiais 2-D é ser capaz de ajustar as propriedades desses materiais para se adequar a aplicações específicas.