Uma equipe de pesquisadores do Instituto Nacional de Grafeno (NGI) da Universidade de Manchester e do Laboratório Nacional de Física (NPL) demonstrou que os dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) 2D levemente torcidos exibem ferroeletricidade à temperatura ambiente.
Essa característica, combinada com as excelentes propriedades ópticas dos TMDs, pode ser usada para construir dispositivos optoeletrônicos multifuncionais, como transistores e LEDs, com funções de memória integradas em escala nanométrica.

Ferroelétricos são materiais com dois ou mais estados eletricamente polarizáveis ​​que podem ser reversivelmente comutados com a aplicação de um campo elétrico externo. Esta propriedade do material é ideal para aplicações como memória não volátil, dispositivos de micro-ondas, sensores e transistores. Até recentemente, a ferroeletricidade comutável fora do plano à temperatura ambiente era alcançada apenas em filmes com espessura superior a 3 nanômetros.

heteroestruturas 2D

Desde o isolamento do grafeno em 2004, pesquisadores da academia estudaram uma variedade de novos materiais 2D com uma ampla gama de propriedades interessantes. Esses cristais 2D atomicamente finos podem ser empilhados uns sobre os outros para criar as chamadas heteroestruturas – materiais artificiais com funções personalizadas.

Mais recentemente, uma equipe de pesquisadores do NGI, em colaboração com o NPL, demonstrou que abaixo de um ângulo de torção de 2 ^o , as redes atômicas se reconstroem fisicamente para formar regiões (ou domínios) de bicamadas perfeitamente empilhadas separadas por limites de tensão acumulada localmente. Para duas monocamadas empilhadas paralelamente uma à outra, é criado um padrão tesselado de domínios triangulares refletidos no espelho. Mais importante ainda, os dois domínios vizinhos têm uma simetria cristalina assimétrica, causando uma assimetria em suas propriedades eletrônicas.

Comutação ferroelétrica à temperatura ambiente

No trabalho, publicado na Nature Nanotechnology , a equipe demonstrou que a estrutura de domínio criada com ferroeletricidade interfacial de hosts de torção de baixo ângulo em TMDs de bicamada. A microscopia de força da sonda Kelvin revelou que os domínios vizinhos são polarizados de forma oposta e as medições de transporte elétrico demonstraram comutação ferroelétrica confiável à temperatura ambiente.

A equipe desenvolveu uma técnica de microscópio eletrônico de varredura (SEM) com contraste aprimorado, usando sinal de elétrons retrodispersos. Isso possibilitou a aplicação de um campo elétrico in situ durante a geração de imagens de alterações na estrutura do domínio de maneira não invasiva, fornecendo informações essenciais sobre como funciona o mecanismo de comutação de domínio. Os limites que separam os domínios polarizados opostamente se expandiram e se contraíram dependendo do sinal do campo elétrico aplicado e levaram a uma redistribuição significativa dos estados polarizados.

Este trabalho demonstra claramente que o grau de liberdade de torção pode permitir a criação de optoeletrônica atomicamente fina com propriedades personalizadas e multifuncionais.

Amplo escopo para materiais 2D personalizados

A autora principal Astrid Weston diz que "é muito emocionante podermos demonstrar que essa ferramenta simples de torção pode projetar novas propriedades em cristais 2D. Com a grande variedade de cristais 2D para escolher, ela nos fornece um escopo quase ilimitado para criar materiais artificiais”.

O co-autor Dr. Eli G Castanon acrescentou que "ser capaz de observar o padrão e comportamento de domínios ferroelétricos em estruturas que têm espessura nanométrica com KPFM e SEM foi muito emocionante. O avanço das técnicas de caracterização juntamente com as extensas possibilidades para a formação de novas heteroestruturas de materiais 2D abrem o caminho para alcançar novos recursos em nanoescala para muitas indústrias." + Explorar mais

Propriedades eletrônicas de nanopadrões de semicondutores 2-D torcidos usando torção