Os cristais 2D de van der Waals, uma classe de materiais que exibem fortes ligações covalentes no plano e fracas interações entre camadas, tornaram-se recentemente o foco de vários estudos de pesquisa devido à sua infinidade de propriedades elétricas, ópticas e mecânicas únicas. Curiosamente, quando um empilhamento vertical híbrido de diferentes folhas de cristais de van der Waals é montado, ele ganha novas propriedades ausentes de qualquer uma de suas camadas constituintes.
Recentemente, pesquisadores da Universidade de Chicago, Universidade Cornell e Universidade de Michigan têm explorado uma nova técnica robótica para montar estruturas intrincadas de van der Waals para que suas propriedades híbridas possam ser estudadas com mais eficiência. Em um artigo recém-publicado na Nature Nanotechnology , a equipe introduziu um método automatizado roboticamente para a montagem 4D de sólidos de van der Waals, com base em técnicas para síntese de materiais 2D em escala de wafer e empilhamento limpo de materiais sob vácuo introduzidos em seus trabalhos anteriores.

“Embora as técnicas que desenvolvemos no passado nos permitissem empilhar camadas de materiais 2D de ~ um centímetro quadrado, era difícil criar estruturas com projetos intrincados e com resolução de mícrons”, Andrew Ye, um dos principais autores do estudo, disse Phys.org. "Em última análise, queríamos uma técnica que nos permitisse aproveitar o material em escala de wafer e a limpeza do empilhamento a vácuo no contexto da fabricação de estruturas com sofisticação geométrica em escala micro. Nosso novo método nos permite fazer isso."

Atualmente, muitas heteroestruturas compostas por materiais 2D são construídas usando flocos 2D esfoliados. No entanto, esses flocos podem ter formas muito aleatórias, de modo que a geometria das estruturas montadas resultantes pode parecer um pouco "desordenada".

"Ao contrário dessas técnicas, nosso método recém-desenvolvido nos permite fabricar estruturas com geometrias deliberadas", explicou Ye. "Isso ocorre porque começamos com um wafer de material, depois o padronizamos em matrizes de unidades discretas de 'pixel'. Esses pixels se tornam os blocos de construção para as estruturas complexas montadas."

Para montar as estruturas de van der Waals, Ye e seus colegas usaram um instrumento personalizado, composto por uma câmara de alto vácuo com (X, Y, Z e θ ) que contém um selo de polímero cuidadosamente projetado. A câmara de vácuo garante que os materiais dentro dela permaneçam intactos durante os processos de fabricação.

Os atuadores de quatro eixos permitem que o instrumento controle os movimentos do carimbo de polímero com altos níveis de precisão. Finalmente, o carimbo de polímero pode ser usado para pegar metodicamente pixels de material de um chip e colocá-los suavemente em outro.

"Como nosso processo é altamente automatizado, podemos operar nossa máquina sem controle do operador e montar estruturas em aproximadamente 30 camadas por hora", explicou Ye. "Esta é uma ordem de magnitude mais rápida do que o que poderia ser feito antes."

O artigo recente apresenta um novo e valioso paradigma que pode ser usado para fabricar heteroestruturas complexas de van der Waals, a partir de materiais sintetizados em escala de wafer. Este novo método vantajoso pode ajudar a avançar na montagem de heteroestruturas baseadas em materiais 2D, indo além das técnicas de laboratório existentes e de pequena escala.

"No contexto da pesquisa acadêmica, mostramos que essa técnica pode ser usada para estudar rapidamente permutações de diferentes materiais dentro de uma única estrutura (como para explorar novos fenômenos ópticos ou elétricos) e estudar as propriedades de multicamadas θ -materiais 2D de cristal único torcidos, que são de interesse da comunidade de física da matéria condensada", disse Ye.

No futuro, o método de montagem introduzido por essa equipe de pesquisadores poderá ser usado para fabricar eletrônicos baseados em materiais 2D em larga escala. Embora as técnicas laboratoriais existentes normalmente só possam ser usadas para fabricar de forma confiável heteroestruturas com alguns mícrons de tamanho, o método proposto por Ye e seus colegas poderia permitir a fabricação em larga escala de sólidos de van der Waals de 100 mícrons e complexos. .

"Agora estamos planejando desenvolver ainda mais o uso de eletrodos no processo de empilhamento robótico", acrescentou Ye. "Além disso, existem muitas propriedades físicas interessantes em multicamadas θ -materiais 2D de cristal único torcidos nos quais gostaríamos de nos aprofundar." + Explore mais

Um dielétrico de van der Waals em escala de wafer baseado em um filme de cristal molecular inorgânico

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