Ao empilhar camadas de diferentes materiais 2D, agora é possível criar materiais 2.5D com propriedades físicas únicas que podem ser usadas em células solares, dispositivos quânticos e dispositivos com consumo de energia muito baixo. Crédito:STAM
Os cientistas estão explorando novas maneiras de empilhar artificialmente materiais bidimensionais (2D), introduzindo os chamados materiais 2,5D com propriedades físicas únicas. Pesquisadores no Japão revisaram os mais recentes avanços e aplicações de materiais 2.5D na revista
Science and Technology of Advanced Materials .
“O conceito 2.5D simboliza a liberdade da composição, materiais, ângulos e espaço normalmente usados na pesquisa de materiais 2D”, explica o cientista de nanomateriais e principal autor Hiroki Ago, da Universidade Kyushu, no Japão.
Materiais 2D, como o grafeno, consistem em uma única camada de átomos e são usados em aplicações como painéis de toque flexíveis, circuitos integrados e sensores.
Recentemente, novos métodos foram introduzidos para possibilitar o empilhamento artificial de materiais 2D na vertical, no plano ou em ângulos torcidos, independentemente de suas composições e estruturas. Isso se deve à capacidade de controlar as forças de van der Waals:interações elétricas fracas entre átomos e moléculas, semelhantes à atração de poeira de um pano de microfibra. Agora também é possível integrar materiais 2D com outros materiais dimensionais, como íons, nanotubos e cristais em massa.
Um método comum para fabricar materiais 2.5D é a deposição de vapor químico (CVD), que deposita uma camada, um átomo ou molécula de cada vez, em uma superfície sólida. Os blocos de construção comumente usados para materiais 2.5D incluem grafeno, nitreto de boro hexagonal (hBN) (um composto usado em cosméticos e aeronáutica) e dicalcogenetos de metais de transição (TMDCs) (um semicondutor de nanofolhas).
Usando o método CVD, os pesquisadores sintetizaram seletivamente uma bicamada de grafeno, a forma mais simples de um material 2,5D, usando uma folha de cobre-níquel com concentração relativamente alta de níquel como catalisador. O níquel torna o carbono altamente solúvel, dando aos pesquisadores mais controle sobre o número de camadas de grafeno. Quando um campo elétrico foi aplicado verticalmente através da bicamada de grafeno, ele abriu um intervalo de banda, o que significa que sua condutividade pode ser ligada e desligada. Este é um fenômeno que não é observado no grafeno de monocamada porque não possui gap de banda e permanece ligado o tempo todo. Ao inclinar o ângulo de empilhamento em um grau, os cientistas descobriram que o material se tornou supercondutor.
Da mesma forma, outro grupo no Reino Unido e nos EUA descobriu que uma camada de grafeno e hBN resulta no efeito Hall quântico, um fenômeno de condução envolvendo um campo magnético que produz uma diferença de potencial. Outros mostraram que o empilhamento de TMDCs aprisiona excitons (elétrons emparelhados com seus buracos associados em um estado ligado) nos padrões de rede sobrepostos. Isso pode levar a aplicações em dispositivos de armazenamento de informações. Novas técnicas de montagem robótica também possibilitaram a construção de estruturas verticais mais complexas, incluindo uma heteroestrutura empilhada composta por 29 camadas alternadas de grafeno e hBN, por exemplo.
Outras pesquisas usaram os nanoespaços que se formam entre as camadas de um material 2,5D para inserir moléculas e íons a fim de melhorar as propriedades elétricas, magnéticas e ópticas do material hospedeiro.
Até agora, por exemplo, os pesquisadores descobriram que o grafeno estabiliza o cloreto de ferro quando é inserido entre suas camadas empilhadas, enquanto a inserção de íons de lítio leva a uma taxa de difusão mais rápida (a rapidez com que as moléculas se espalham em uma área) do que a do grafite, um condutor elétrico usado em baterias. Isso implica que o material pode ser usado em baterias recarregáveis de alto desempenho.
Além disso, os pesquisadores descobriram que a inserção de moléculas de cloreto de alumínio entre duas folhas de grafeno leva à formação de novas estruturas cristalinas que são completamente diferentes do cristal de cloreto de alumínio a granel. Mais pesquisas são necessárias para entender por que isso acontece e quais aplicações podem ter.
"Existem muitas oportunidades para explorar com este novo conceito 2.5D", diz Ago.
Aplicações futuras de materiais 2.5D incluem células solares, baterias, dispositivos flexíveis, dispositivos quânticos e dispositivos com consumo de energia muito baixo.
As próximas etapas devem incorporar aprendizado de máquina, aprendizado profundo e informática de materiais para avançar ainda mais no design e na síntese de materiais 2.5D.
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