p Nos últimos anos, engenheiros encontraram maneiras de modificar as propriedades de alguns materiais "bidimensionais", que têm apenas um ou alguns átomos de espessura, empilhando duas camadas juntas e girando uma levemente em relação à outra. Isso cria o que é conhecido como padrões moiré, onde pequenas mudanças no alinhamento dos átomos entre as duas folhas criam padrões em escala maior. Também muda a forma como os elétrons se movem através do material, de maneiras potencialmente úteis. p Mas para aplicações práticas, esses materiais bidimensionais devem, em algum ponto, se conectar com o mundo comum dos materiais 3-D. Uma equipe internacional liderada por pesquisadores do MIT agora descobriu uma maneira de imaginar o que acontece nessas interfaces, até o nível de átomos individuais, e de correlacionar os padrões de moiré no limite 2-D-3-D com as mudanças resultantes nas propriedades do material.

p As novas descobertas são descritas hoje no jornal Nature Communications , em um artigo dos alunos de pós-graduação do MIT Kate Reidy e Georgios Varnavides, professores de ciência de materiais e engenharia Frances Ross, Jim LeBeau, e Polina Anikeeva, e cinco outros no MIT, Universidade de Harvard, e a Universidade de Victoria no Canadá.

p Pares de materiais bidimensionais, como grafeno ou nitreto de boro hexagonal, podem exibir variações surpreendentes em seu comportamento quando as duas folhas são ligeiramente torcidas uma em relação à outra. Isso faz com que as redes atômicas semelhantes a arame de galinha formem padrões moiré, os tipos de faixas e manchas estranhas que às vezes aparecem ao tirar uma foto de uma imagem impressa, ou através de uma tela de janela. No caso de materiais 2-D, "parece qualquer coisa, todas as propriedades de materiais interessantes que você possa imaginar, você pode de alguma forma modular ou mudar torcendo os materiais 2-D uns em relação aos outros, "diz Ross, quem é a professora Ellen Swallow Richards do MIT.

p Embora esses pares 2-D tenham atraído a atenção científica em todo o mundo, ela diz, pouco se sabe sobre o que acontece quando materiais 2-D encontram sólidos 3-D regulares. "O que nos interessou por este tópico, "Ross diz, era "o que acontece quando um material 2-D e um material 3-D são colocados juntos. Em primeiro lugar, como você mede as posições atômicas em, e perto, a interface? Em segundo lugar, quais são as diferenças entre uma interface 3-D-2-D e 2-D-2-D? E em terceiro lugar, como você pode controlá-lo - há uma maneira de projetar deliberadamente a estrutura interfacial "para produzir as propriedades desejadas?

p Descobrir exatamente o que acontece nessas interfaces 2-D-3-D foi um desafio assustador porque os microscópios eletrônicos produzem uma imagem da amostra em projeção, e eles são limitados em sua capacidade de extrair informações detalhadas necessárias para analisar detalhes da estrutura da interface. Mas a equipe descobriu um conjunto de algoritmos que lhes permitiu extrapolar a partir de imagens da amostra, que se parecem um pouco com um conjunto de sombras sobrepostas, para descobrir qual configuração de camadas empilhadas produziria aquela "sombra" complexa.

p A equipe fez uso de dois microscópios eletrônicos de transmissão exclusivos no MIT que permitem uma combinação de recursos sem igual no mundo. Em um desses instrumentos, um microscópio é conectado diretamente a um sistema de fabricação para que as amostras possam ser produzidas no local por processos de deposição e imediatamente alimentadas diretamente no sistema de imagem. Esta é uma das poucas instalações em todo o mundo, que usam um sistema de vácuo ultra-alto que evita que até mesmo a mais ínfima impureza contamine a amostra enquanto a interface 2-D-3-D está sendo preparada. O segundo instrumento é um microscópio eletrônico de transmissão de varredura localizado nas novas instalações de pesquisa do MIT, MIT.nano. Este microscópio tem excelente estabilidade para imagens de alta resolução, bem como vários modos de imagem para coletar informações sobre a amostra.

p Ao contrário de materiais 2-D empilhados, cujas orientações podem ser alteradas com relativa facilidade simplesmente pegando uma camada, torcendo-o ligeiramente, e colocando-o novamente, as ligações que mantêm materiais 3-D juntos são muito mais fortes, então a equipe teve que desenvolver novas maneiras de obter camadas alinhadas. Para fazer isso, eles adicionaram o material 3-D ao material 2-D em vácuo ultra-alto, escolher as condições de crescimento em que as camadas se auto-organizam em uma orientação reproduzível com graus específicos de torção. “Tínhamos que fazer crescer uma estrutura que fosse alinhada de uma certa forma, "Reidy diz.

p Tendo crescido os materiais, eles então tiveram que descobrir como revelar as configurações atômicas e orientações das diferentes camadas. Um microscópio eletrônico de transmissão de varredura realmente produz mais informações do que é aparente em uma imagem plana; na verdade, cada ponto da imagem contém detalhes dos caminhos pelos quais os elétrons chegaram e partiram (o processo de difração), bem como qualquer energia que os elétrons perderam no processo. Todos esses dados podem ser separados para que as informações em todos os pontos de uma imagem possam ser usadas para decodificar a estrutura sólida real. Este processo só é possível para microscópios de última geração, como o do MIT.nano, que gera uma sonda de elétrons que é excepcionalmente estreita e precisa.

p Os pesquisadores usaram uma combinação de técnicas chamadas 4-D STEM e contraste de fase diferencial integrado para alcançar o processo de extração da estrutura completa na interface da imagem. Então, Varnavides diz, eles perguntaram, "Agora que podemos imaginar toda a estrutura da interface, o que isso significa para a nossa compreensão das propriedades dessa interface? ”Os pesquisadores mostraram por meio de modelagem que as propriedades eletrônicas devem ser modificadas de uma forma que só pode ser compreendida se toda a estrutura da interface for incluída na teoria física. "O que descobrimos é que, de fato, esse empilhamento, a forma como os átomos são empilhados fora do plano, modula as propriedades eletrônicas e de densidade de carga, " ele diz.

p Ross diz que as descobertas podem ajudar a melhorar os tipos de junções em alguns microchips, por exemplo. "Todo material 2-D usado em um dispositivo deve existir no mundo 3-D, e por isso tem que ter uma junção de alguma forma com materiais tridimensionais, "ela diz. Então, com esse melhor entendimento dessas interfaces, e novas maneiras de estudá-los em ação, "estamos em boa forma para fazer estruturas com propriedades desejáveis ​​de uma forma planejada, em vez de ad hoc."

p “A metodologia utilizada tem o potencial de calcular a partir dos padrões de difração locais adquiridos a modulação do momento eletrônico local, " ele diz, acrescentando que "a metodologia e pesquisa mostrada aqui tem um futuro notável e alto interesse para a comunidade de ciência de materiais." p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.