Os metais são geralmente caracterizados por uma boa condutividade elétrica. Isso se aplica em particular ao ouro e à prata. Contudo, pesquisadores do Instituto Max Planck para Pesquisa do Estado Sólido em Stuttgart, junto com parceiros em Pisa e Lund, descobriram agora que alguns metais preciosos perdem essa propriedade se forem finos o suficiente. O extremo de uma camada de apenas um átomo de espessura, portanto, se comporta como um semicondutor. Isso mais uma vez demonstra que os elétrons se comportam de maneira diferente na camada bidimensional de um material do que nas estruturas tridimensionais. As novas propriedades podem levar a aplicativos, por exemplo, em microeletrônica e tecnologia de sensores.

Alguém pode pensar que a folha de ouro, que tem apenas 0,1 µm de espessura, é realmente muito fino. Longe disso. Na verdade, pode ser várias centenas de vezes mais fino. Por exemplo, a equipe de pesquisa de Ulrich Starke e seu ex-aluno de doutorado Stiven Forti criaram com sucesso uma camada de ouro com apenas um átomo de espessura. Ouro bidimensional, por assim dizer.

Starke é chefe do Centro de Análise de Interface do Instituto Max Planck para Pesquisa de Estado Sólido em Stuttgart. Sua equipe trabalha há muito tempo na fronteira entre materiais tridimensionais (volumosos) e bidimensionais (planos). Pesquisadores de estado sólido estão interessados ​​nesta transição porque ela está associada a mudanças em certas propriedades do material. Isso já foi demonstrado anteriormente no carbono bidimensional, ou grafeno. Entre outras coisas, seus elétrons são significativamente mais móveis e permitem que a condutividade elétrica aumente em 30 vezes a do grafite tridimensional relacionado.

Os átomos de ouro são empurrados entre o grafeno e o carboneto de silício

Contudo, para muitos metais, produzir camadas de material com apenas um átomo de espessura não é uma tarefa fácil. "Com métodos clássicos de deposição, átomos de ouro, por exemplo, imediatamente se aglomeraria em grupos tridimensionais ", explica Starke. Sua equipe está, portanto, trabalhando com um método diferente - intercalação - no qual fizeram um trabalho pioneiro há cerca de 10 anos. A intercalação significa literalmente deslizar algo no meio. E é exatamente assim que funciona. Os pesquisadores começaram com um wafer de carboneto de silício. Usando um processo que eles próprios desenvolveram, eles primeiro convertem sua superfície em uma camada atômica única de grafeno. "Se vaporizarmos ouro sublimado neste arranjo de carboneto de silício-grafeno em alto vácuo, os átomos de ouro migram entre o carboneto e o grafeno ", explica Forti. O ex-candidato ao doutorado de Max Planck agora está fazendo pesquisas no Centro de Inovação em Nanotecnologia de Pisa. Ainda não é totalmente compreendido como os átomos de ouro grossos entram no espaço intersticial. Mas uma coisa é clara:temperaturas mais altas favorecem o processo.

A equipe também aplicou a técnica de intercalação a outros elementos, incluindo germânio, cobre, e gadolínio. Ainda, de acordo com Forti, o foco principal foi a influência nas propriedades do grafeno. No caso do ouro, Contudo, foi descoberto pela primeira vez que os átomos intercalados se organizaram de forma regular, estrutura bidimensional periodicamente recorrente - cristalina - ao longo da superfície do carboneto de silício. “Se a intercalação for realizada a 600 ° C, a camada de grafeno evita que os átomos de ouro se aglomerem para formar gotas ", diz Forti sobre a função da camada de carbono na estrutura sanduíche.

Uma camada de ouro consistindo de apenas duas camadas atômicas conduz como um metal

A preparação bem-sucedida da camada de ouro com a espessura de um átomo foi apenas o primeiro passo. Subseqüentemente, os materiais extremamente finos e suas características possivelmente especiais tornaram-se interessantes para os pesquisadores. Eles poderiam de fato mostrar que a camada extremamente fina de ouro desenvolve suas próprias propriedades eletrônicas - e semicondutoras. Para comparar:a condutividade elétrica do volumoso (ou seja, ouro tridimensional) é quase tão boa quanto a do cobre. Como as considerações teóricas preveem um caráter metálico para o ouro 2-D puro, a descoberta do semicondutor foi um tanto surpreendente. "As interações entre os átomos de ouro e o carboneto de silício ou o carbono de grafeno obviamente ainda desempenham um papel aqui. Isso influencia os níveis de energia dos elétrons", diz Starke.

Semicondutores são materiais essenciais em microeletrônica e outros campos. Por exemplo, elementos de comutação eletrônicos, como diodos ou transistores, são baseados nele. A equipe de Starke pode imaginar algumas aplicações típicas de semicondutores para o novo material 2-D. Uma segunda camada de átomos de ouro novamente dá um caráter metálico - e assim influencia a condutividade elétrica. "Variando a quantidade de ouro sublimado, podemos controlar rigidamente se uma ou duas camadas de ouro se formam ", explica Forti.

Portanto, seria concebível usar componentes com camadas de ouro atômicas simples ou duplas alternadas. O novo método de fabricação teria então que ser adequadamente combinado com métodos litográficos comuns de produção de chips. Por exemplo, diodos significativamente menores do que os convencionais podem ser produzidos. De acordo com Starke, os diferentes estados eletrônicos do ouro de camada única e dupla também podem ser usados ​​em sensores ópticos.

Efeitos eletrônicos também na camada de grafeno

Outra ideia de aplicação resulta dos efeitos causados ​​pelo ouro intercalado na camada de grafeno adjacente, que aparentemente dependem da espessura do ouro. "Uma camada de ouro com um átomo de espessura causa um n-doping no grafeno. Isso significa que obtemos elétrons como portadores de carga", disse Forti. Em locais onde o ouro tem duas camadas atômicas de espessura, exatamente o oposto - p-doping - acontece. Lá, elétrons ausentes ou chamados "buracos" carregados positivamente atuam como portadores de carga. O ouro também aumenta a interação de plasmons (ou seja, flutuações na densidade dos portadores de carga) com a radiação eletromagnética. "Um estruturado, arranjo alternado de n- e p-dopagem no grafeno pode, portanto, ser usado. Por exemplo, como um conjunto de detectores altamente sensível, mas de alta resolução para radiação terahertz, como aqueles usados ​​em testes de materiais, para verificações de segurança em aeroportos, ou para transmissão de dados sem fio ", diz Starke.

A equipe de Starke já deu o próximo passo na produção de camadas bidimensionais de metais preciosos. Também em um experimento de intercalação com prata, uma camada de prata bidimensional estritamente cristalina formada entre carboneto de silício e grafeno. E mais:mesmo este metal, que geralmente é um condutor elétrico ainda melhor do que o ouro, torna-se um semicondutor quando reduzido a duas dimensões. Os resultados iniciais indicam que a energia necessária para tornar a camada de prata eletricamente condutora é provavelmente maior do que para o ouro 2-D. "As propriedades semicondutoras de um componente feito desse material podem, portanto, ser termicamente mais estáveis ​​do que as do ouro", diz Starke sobre as possíveis consequências práticas.