Passos muito pequenos fazem uma grande diferença para pesquisadores que desejam criar grandes wafers de material bidimensional.

Etapas do tamanho de um átomo em um substrato fornecem os meios para que os cristais 2-D que crescem em um forno de vapor químico se unam em uma classificação perfeita. Cientistas observaram recentemente esse fenômeno, e agora um grupo da Rice University tem uma ideia de por que funciona.

O teórico de materiais de arroz Boris Yakobson e o pesquisador Ksenia Bets lideraram a construção de simulações que mostram etapas do tamanho de átomos em uma superfície de crescimento. ou substrato, têm a notável capacidade de manter as ilhas de cristal de monocamada alinhadas à medida que crescem.

Se as condições forem certas, as ilhas se unem em um cristal maior sem os limites de grão tão característicos de materiais 2-D como o grafeno cultivado por meio de deposição química de vapor (CVD). Isso preserva sua perfeição e características eletrônicas, que diferem dependendo do material.

A teoria do arroz foi publicada no jornal American Chemical Society Nano Letras .

A investigação se concentrou no nitreto de boro hexagonal (h-BN), também conhecido como grafeno branco, um cristal geralmente cultivado via CVD. Os cristais se nucleados em vários lugares em um material de substrato perfeitamente plano e não necessariamente em alinhamento um com o outro.

Contudo, experimentos recentes demonstraram que o crescimento em substratos vicinais - superfícies que parecem planas, mas na verdade têm esparsas, passos atomicamente pequenos - podem alinhar os cristais e ajudá-los a se fundir em um único, estrutura uniforme, conforme relatado no arXiv. Coautor desse relatório e líder da equipe coreana, Feng Ding, é ex-aluno do laboratório Yakobson e atual professor adjunto da Rice.

Mas os experimentalistas não mostram como funciona, Yakobson disse, as etapas são conhecidas por serpentear e estar um pouco desalinhadas.

“Gosto de comparar o mecanismo a um 'filtro digital, 'aqui oferecido pela natureza discreta das redes atômicas, "disse ele." A curva analógica que, com suas encostas, descreve uma etapa sinuosa que é 'amostrada e digitalizada' pela própria grade de linhas atômicas constituintes, quebrando a curva em segmentos retos de terraço 1D. A inclinação não ajuda, mas não dói. Surpreendentemente, a combinação pode ser boa; como uma casa bem projetada em uma colina, fica reto.

"A teoria é simples, embora tenha sido muito trabalhoso calcular e confirmar a correspondência de complementaridade entre o molde de metal e o h-BN, quase como para pares A-G-T-C em fitas de DNA, "Yakobson disse.

Não estava claro por que os cristais se fundiram tão bem em um até as simulações por Bets, com a ajuda do co-autor e estudante de graduação da Rice, Nitant Gupta, mostrou como h-BN "ilhas" permanecem alinhadas enquanto nucleadas ao longo de etapas visivelmente curvas.

"Uma superfície vicinal tem degraus ligeiramente desalinhados dentro da área plana, "Dizem as apostas." Tem grandes terraços, mas ocasionalmente haverá degraus de um átomo de altura. O truque dos experimentalistas era alinhar essas etapas vicinais em uma direção. "

Na deposição de vapor químico, um gás quente dos átomos que formarão o material flui para a câmara, onde eles se assentam no substrato e nos cristais nucleados. Os átomos de h-BN em uma superfície vicinal preferem se estabelecer na curva das etapas.

"Eles têm este canto agradável onde os átomos terão mais vizinhos, o que os torna mais felizes, "Apostas disse." Eles tentam se alinhar às etapas e crescer a partir daí.

"Mas do ponto de vista da física, é impossível ter um perfeito, etapa atomicamente plana, "disse ela." Mais cedo ou mais tarde, haverá pequenos recuos, ou torções. Descobrimos que na escala atômica, essas torções nas etapas não evitam que o h-BN se alinhe se suas dimensões forem complementares à estrutura do h-BN. Na verdade, eles ajudam a garantir a coorientação das ilhas. "

Como as etapas modeladas pelo laboratório Rice têm 1,27 angstrom de profundidade (um angstrom tem um bilionésimo de metro), os cristais em crescimento têm poucos problemas para superar a fronteira. "Essas etapas são menores do que a distância da ligação entre os átomos, "Apostas disse." Se eles fossem maiores, como dois angstroms ou mais, seria mais uma barreira natural, portanto, os parâmetros devem ser ajustados com cuidado. "

Duas ilhas em crescimento que se aproximam se unem perfeitamente, de acordo com as simulações. De forma similar, as rachaduras que aparecem ao longo dos degraus se curam facilmente porque as ligações entre os átomos são fortes o suficiente para superar a pequena distância.

Qualquer caminho para o crescimento em grande escala de materiais 2-D vale a pena perseguir por um exército de aplicações, de acordo com os pesquisadores. Materiais 2-D como grafeno condutor, isolante h-BN e dichalcogenetos de metais de transição semicondutores são todos foco de intenso escrutínio por pesquisadores ao redor do mundo. Os pesquisadores do Rice esperam que seus modelos teóricos apontem o caminho para grandes cristais de muitos tipos.