O equivalente nanoscópico de empilhar um baralho de cartas – colocar materiais com apenas alguns átomos de espessura uns sobre os outros – emergiu como o passatempo favorito de cientistas de materiais e engenheiros elétricos em todo o mundo.
Assim como as cartas podem diferir por naipe e valor, as propriedades desses materiais 2D atomicamente finos também podem variar:eletronicamente, magneticamente, opticamente ou de várias outras maneiras. E assim como combinar as cartas certas pode render mãos valiosas, as combinações certas de materiais 2D podem produzir resultados tecnologicamente valiosos.

Alexei Gruverman, Alex Sinitskii e colegas, da Universidade de Nebraska-Lincoln, demonstraram agora que um material 2D em particular, já considerado uma carta de figura, na verdade vale como um ás na manga.

Esse material é dissulfeto de molibdênio, ou MoS₂ . Ao lado de parceiros de Luxemburgo, China e França, os pesquisadores da Husker mostraram que o MoS₂ possui uma propriedade há muito teorizada que poderia ajudar computadores, telefones e outros microeletrônicos a economizar energia e seus estados elétricos exatos, mesmo depois de desligados.

MoS₂ A promessa de economia de energia e economia de estado da empresa é cortesia de uma propriedade valiosa, mas incomum, conhecida como ferroeletricidade. A separação vertical e o arranjo de cargas negativas versus positivas em materiais ferroelétricos podem ser invertidos instantaneamente apenas aplicando alguma voltagem. Esses estados alinhados de forma oposta, ou polarizados, podem ser lidos ou armazenados como 1s e 0s de dados binários, com os estados permanecendo mesmo quando uma fonte de alimentação é cortada.

Essa vantagem de configurar e esquecer é composta pelo fato de que a tensão pode inverter a polarização e codificar um 1 ou 0 respectivo, enquanto extrai muito menos energia do que os campos magnéticos frequentemente usados ​​para codificar dados digitais. Coletivamente, esses benefícios posicionaram os materiais ferroelétricos como um ator de destaque em um futuro ainda mais dependente da microeletrônica.

Simulações baseadas em teoria sugeriram que MoS₂ era apenas um tal material. Tal como acontece com outros materiais 2D, no entanto, provar isso se mostrou terrivelmente difícil. Mas cutucando flocos de dissulfeto de molibdênio com uma agulha nanoscópica que excitava simultaneamente o material com um campo elétrico, a equipe liderada por Husker conseguiu confirmar que o MoS₂ é, de fato, ferroelétrico. Os estados polarizados do material permaneceram por até semanas de cada vez, disseram os pesquisadores, e foram observados com o MoS₂ flocos sentados em cima de qualquer um dos vários outros materiais.

"A ferroeletricidade em materiais bidimensionais é, em geral, um fenômeno novo", disse Sinitskii, professor de química em Nebraska. "Foi descoberto recentemente, e os exemplos de sistemas bidimensionais que exibem polarização ferroelétrica ainda são muito limitados."

A ferroeletricidade sozinha, então, seria suficiente para elevar o dissulfeto de molibdênio no ranking dos materiais 2D. Ainda MoS₂ apresenta outras propriedades que atraem os engenheiros encarregados de construir dispositivos melhores. É relativamente fácil de cultivar, primeiro a granel, depois descascando camadas atomicamente finas com a ajuda de fita adesiva. Ao contrário de muitos de seus homólogos 2D, ele se mantém quando exposto ao ar e funciona bem com os materiais ricos em oxigênio encontrados em muitos componentes eletrônicos.

Além de tudo isso, é um material semicondutor na veia do silício – a escolha de longa data para circuitos integrados, ou microchips – o que significa que seu fluxo de corrente elétrica pode ser acionado e interrompido com o mínimo de esforço. Isso define MoS₂ além da maioria dos ferroelétricos, disse Gruverman.

Na esteira do estudo da equipe, que apareceu na revista npj 2D Materials and Applications , MoS₂ agora se junta a apenas um punhado de materiais que possuem condutividade alta, mas controlável, e polarização facilmente alternável, disseram os pesquisadores.

"Sempre houve esse esforço para combinar propriedades semicondutoras e ferroelétricas em um material, porque isso o tornaria um material muito poderoso - um santo graal, se você preferir - para a indústria de semicondutores", disse Gruverman, professor de física e engenharia da Universidade Charles Mach. astronomia.

'A estrutura que observamos era claramente sem precedentes'

Os átomos de um material podem assumir diferentes configurações que geram diferentes propriedades. O exemplo mais famoso do fenômeno pode ser o carbono, que pode variar de um pedaço de carvão preto macio a um diamante transparente e quase indestrutível.

O dissulfeto de molibdênio, que consiste em um átomo de molibdênio para cada dois enxofre, não é exceção. Em seu estado mais estável, conhecido como 2H, o material atua como um semicondutor, mas na verdade não possui ferroeletricidade. Mas cutucando o MoS₂ com um ponto minúsculo deslocou alguns dos átomos de enxofre para cima, a equipe descobriu, alterando as distâncias entre esses átomos e o molibdênio. Isso, por sua vez, alterou a distribuição das nuvens de elétrons dos átomos, transformando o 2H semicondutor em uma fase ferroelétrica mais condutora conhecida como 1T."

Para mudar a polarização do MoS₂ , os pesquisadores exploraram o chamado efeito flexo-elétrico:uma mudança no comportamento elétrico de um material quando ele começa a se deformar sob a força de um estresse mecânico. Por mais de meio século, os físicos sabem que quanto mais variável for a tensão - isto é, quanto maiores forem as disparidades em como várias áreas de um material se deformarão sob tensão - mais pronunciada será a polarização elétrica. Materiais mais espessos tendem a sofrer tensões bastante uniformes, disse Gruverman, resultando em polarização limitada e utilidade para codificar dados binários.

Um material 2D como MoS₂ —especialmente um com os mais finos pontos—é uma perspectiva muito diferente, produzindo uma enorme disparidade nas tensões e, consequentemente, um enorme efeito flexo-elétrico.

"Em materiais tão finos quanto MoS₂ , esse efeito flexo-elétrico é muito profundo", disse Gruverman. "O importante é que essa abordagem pode ser usada como uma ferramenta muito eficaz para controlar os estados de polarização em ferroelétricos.

"Agora demonstramos que, além do campo elétrico, podemos usar o estresse mecânico como forma de controlar ou ajustar as propriedades eletrônicas dessas heteroestruturas."

A equipe também descobriu uma surpresa que poderia funcionar no MoS₂ favor de. Embora os flocos que Sinitskii e seus colegas fabricaram fossem praticamente intocados, a equipe ocasionalmente encontrou sinais de polarização que eram substancialmente mais fracos do que esperavam. Curioso, Sinitskii teve a ideia de virar os flocos e medir os sinais novamente, na esperança de obter insights sobre a terceira dimensão ultrafina do material essencialmente 2D.

Quando o fizeram, os pesquisadores determinaram que os flocos continham camadas de polarização alternadas aleatoriamente – algumas com cargas positivas na parte superior e cargas negativas na parte inferior, outras vice-versa.

“A estrutura que observamos foi claramente sem precedentes, porque nenhuma das estruturas ferroelétricas bidimensionais que as pessoas observaram antes exibia esse tipo de arranjo de domínios ferroelétricos”, disse Sinitskii.

A existência dessas camadas alternadas aleatoriamente implicava outra surpresa. Em alguns casos, cargas de mesmo sinal estão se chocando – positiva com positiva ou negativa com negativa – sem se repelir, como normalmente seria esperado. Como? A equipe suspeita que a condutividade especialmente alta de 1T" MoS₂ promove o fluxo de cargas suficientes entre essas camadas para evitar a repulsão. É possível, disse Gruverman, que as correntes intra-camada possam ser controladas invertendo a polarização do MoS₂ flakes, oferecendo outra maneira hiperlocalizada de codificar dados.

"É bastante incomum ter essas camadas de um material onde a polarização em uma camada não se importa com o estado de polarização na camada adjacente", disse Gruverman. "Normalmente, esse tipo de configuração cabeça a cabeça e cauda a cauda seria muito desfavorável. Mas parece que, aqui, essas camadas são absolutamente insensíveis ao estado de polarização nas camadas vizinhas."

Mas a promessa total do dissulfeto de molibdênio só pode se revelar, disse Sinitskii, quando os cientistas de materiais - agora conhecendo o verdadeiro valor do MoS₂ —conseguir jogá-lo nas mãos certas.

"Este é um tema muito quente agora", disse Sinitskii. "Há muitas pessoas que estão realmente embaralhando essas diferentes camadas e empilhando-as umas sobre as outras. Agora eles têm outro tipo de material bidimensional que pode ser adicionado a essas pilhas e torná-las mais diversas, mais programáveis ​​e, eventualmente, mais útil." + Explorar mais

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