p O que torna algo um cristal? Uma pedra preciosa transparente e cintilante? Não necessariamente, no mundo microscópico. Quando todos os seus átomos estão dispostos de acordo com regras matemáticas específicas, chamamos o material de cristal único. Como o mundo natural tem sua simetria única, por exemplo., flocos de neve ou favos de mel, o mundo atômico dos cristais é projetado por suas próprias regras de estrutura e simetria. Essa estrutura material também tem um efeito profundo em suas propriedades físicas. Especificamente, os cristais individuais desempenham um papel importante na indução das propriedades intrínsecas de um material em toda a sua extensão. Diante do fim do processo de miniaturização que o circuito integrado à base de silício permitiu até agora, grandes esforços têm sido dedicados para encontrar um único substituto cristalino para o silício. p Na busca pelo transistor do futuro, materiais bidimensionais (2-D), especialmente grafeno, têm sido objeto de intensas pesquisas em todo o mundo. Ser fino e flexível por ser apenas uma única camada de átomos, esta versão 2-D de carbono ainda apresenta eletricidade e condutividade de calor sem precedentes. Contudo, os esforços da última década para transistores de grafeno foram impedidos por restrições físicas - o grafeno não permite nenhum controle sobre o fluxo de eletricidade devido à falta de gap. Então, e outros materiais 2-D? Foi relatado que vários materiais 2-D interessantes têm propriedades semelhantes ou mesmo superiores. Ainda, a falta de compreensão na criação de condições experimentais ideais para materiais 2D de grandes áreas limitou seu tamanho máximo a apenas alguns milímetros.

p Cientistas do Center for Multidimensional Carbon Material (CMCM) do Institute for Basic Science (IBS) apresentaram uma nova abordagem para sintetizar em grande escala, tamanho de wafer de silício, materiais 2-D monocristalinos. O Prof. Feng Ding e a Sra. Leining Zhang em colaboração com seus colegas da Universidade de Pequim, A China e outras instituições encontraram um substrato com uma ordem de simetria mais baixa do que a de um material 2-D que facilita a síntese de materiais 2-D monocristalinos em uma grande área. "Era fundamental encontrar o equilíbrio certo de simetrias rotacionais entre um substrato e um material 2-D, "observa o Prof. Feng Ding, um dos autores correspondentes deste estudo. Os pesquisadores sintetizaram com sucesso cristais únicos de hBN de 10 x 10 cm ² usando um novo substrato:uma superfície próxima a Cu (110) que tem uma simetria inferior de (1) do que hBN com (3).

p Por que a simetria é importante? Simetria, em particular simetria rotacional, descreve quantas vezes uma determinada forma se ajusta a si mesma durante uma rotação completa de 360 ​​graus. O método mais eficiente para sintetizar grandes áreas e cristais únicos de materiais 2-D é organizar camadas sobre camadas de pequenos cristais únicos e cultivá-los sobre um substrato. Neste crescimento epitaxial, é bastante desafiador garantir que todos os monocristais estejam alinhados em uma única direção. A orientação dos cristais é freqüentemente afetada pelo substrato subjacente. Por análise teórica, os cientistas do IBS descobriram que uma ilha de hBN (ou um grupo de átomos de hBN formando uma única forma de triângulo) tem dois alinhamentos equivalentes na superfície de Cu (111) que tem uma simetria muito alta de (6). "Era uma visão comum que um substrato com alta simetria pode levar ao crescimento de materiais com alta simetria. Parecia fazer sentido intuitivamente, mas este estudo descobriu que está incorreto, "diz a Sra. Leining Zhang, o primeiro autor do estudo.

p Anteriormente, vários substratos, como Cu (111), foram usados ​​para sintetizar hBN cristalino único em uma grande área, mas nenhum deles teve sucesso. Todos os esforços terminaram com ilhas de hBN alinhadas em várias direções diferentes nas superfícies. Convencidos de que a chave para alcançar o alinhamento unidirecional é reduzir a simetria do substrato, os pesquisadores fizeram enormes esforços para obter superfícies vicinais de orientação Cu (110); uma superfície obtida cortando um Cu (110) com um pequeno ângulo de inclinação. É como formar etapas físicas em Cu. Como uma ilha de hBN tende a se posicionar paralelamente à borda de cada degrau, ele obtém apenas um alinhamento preferencial. O pequeno ângulo de inclinação também diminui a simetria da superfície.

p Os pesquisadores finalmente descobriram que uma classe de superfícies vicinais de Cu (110) pode ser usada para apoiar o crescimento de hBN com alinhamento perfeito. Em um substrato cuidadosamente selecionado com a simetria mais baixa (ou a superfície se repetirá apenas após uma rotação de 360 ​​graus), hBN tem apenas uma direção de alinhamento preferencial. A equipe de pesquisa do Prof. Kaihui Liu da Universidade de Pequim desenvolveu um método exclusivo para recozer uma grande folha de Cu, até 10 x 10 cm ² , em um único cristal com a superfície vicinal Cu (110), e com isso, eles alcançaram a síntese de cristais únicos de hBN do mesmo tamanho.

p Além da flexibilidade e espessura ultrafina, os materiais 2-D emergentes podem apresentar propriedades extraordinárias quando aumentados como cristais únicos. "Este estudo fornece uma orientação geral para a síntese experimental de vários materiais 2-D. Além do hBN, muitos outros materiais 2-D poderiam ser sintetizados com substratos monocristalinos de grande área com baixa simetria, "diz o Prof. Feng Ding. Notavelmente, hBN é o isolador 2-D mais representativo, que é diferente dos materiais 2-D condutores, como o grafeno, e semicondutores 2-D, como dissulfeto de molibdênio (MoS ₂ ) O empilhamento vertical de vários tipos de materiais 2-D, como hBN, grafeno e MoS ₂ , levaria a um grande número de novos materiais com propriedades excepcionais e podem ser usados ​​para inúmeras aplicações, como eletrônicos de alto desempenho, sensores, ou eletrônicos vestíveis. "