Um estudo publicado em Nanoscale demonstra que o Zn₃ de alta qualidade P₂ cristais, livres de defeitos de interface, podem ser fabricados com uma abordagem em nanoescala. Consiste em usar epitaxia de área seletiva para crescer nanofios de Zn₃ P₂ , um material de interesse para aplicação em células solares e fotovoltaicas. Este trabalho, coordenado pelo líder do grupo ICN2 ICREA Prof. Jordi Arbiol, também emprega técnicas de microscopia de última geração e simulações 3D para investigar minuciosamente a formação de estruturas de orientação diferente dentro dos nanofios.
Fosfeto de zinco (Zn₃ P₂ ) é um semicondutor cujas propriedades, incluindo a abundância de seus componentes na Terra, um bandgap direto e uma alta capacidade de absorção de luz na faixa do visível, o tornam um candidato atraente para uso em células solares como absorvedor, ou seja, a camada que produz portadores de carga livres como resultado da absorção de luz. No entanto, estudos aprofundados sobre ele são limitados devido às dificuldades envolvidas na fabricação de materiais de alta qualidade. Em particular, cristais de Zn₃ P₂ são produzidos por crescimento epitaxial em um substrato, mas as características estruturais desse material dificultam o cultivo de grandes volumes sem incorrer em defeitos, o que pode prejudicar seu desempenho.

O estudo usa uma estratégia de fabricação de nanoestrutura para produzir nanofios de Zn₃ P₂ com deformações elásticas reduzidas, o que resulta em muito menos defeitos na interface com o substrato. Além de provar que essa abordagem é favorável, o trabalho também usa técnicas avançadas de microscopia, imagem e simulação para analisar o processo de crescimento até o nível atômico e investigar as características e influência de outros tipos de irregularidades que aparecem nos nanofios cultivados. Esta pesquisa foi coordenada pelo Prof. Jordi Arbiol do ICREA, líder do Grupo de Nanoscopia Eletrônica Avançada ICN2, e Profa. Anna Fontcuberta i Morral, da Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Suíça); Os primeiros autores do artigo são a Dra. Maria Chiara Spadaro, pesquisadora de pós-doutorado no grupo do Prof. Arbiol, e o Dr. Simon Escobar Steinvall, anteriormente na EPFL e atualmente pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Lund (Suécia).

Os pesquisadores cultivaram Zn₃ P₂ nanofios em um substrato de fosfeto de índio (InP) por meio de epitaxia de área seletiva (SAE), uma técnica na qual uma máscara é usada para limitar o crescimento a aberturas especificamente projetadas e direções desejadas. A pequena superfície de contato entre os dois materiais e o uso de uma máscara permitiram a fabricação de nanofios sem deslocamentos desajustados na interface, ou seja, sem defeitos relacionados à interface. Em particular, duas orientações cristalinas foram escolhidas para crescer os nanofios, a 45 graus entre si, e ambas exibiram a mesma alta qualidade.

Existem outros defeitos, no entanto, que podem aparecer durante o processo de fabricação – mesmo usando essa abordagem em nanoescala – e são realmente mais difíceis de monitorar e controlar. De fato, os autores deste estudo observaram a formação de domínios rotacionados no material crescido, o que significa que existem partes dentro de toda a estrutura que apresentam uma orientação cristalina diferente em relação ao restante. Para analisar em detalhes esse fenômeno e como isso afeta a qualidade do Zn₃ P₂ nanofios, os autores deste estudo usaram técnicas de última geração (imagem de microscopia eletrônica de transmissão de varredura de campo escuro anular de alto ângulo corrigida por aberração de resolução atômica, ou AC-HAADF STEM) para coletar informações estruturais sobre o material até o nível atômico . Eles também usaram os dados coletados para criar modelos atômicos 3D confiáveis ​​realizando simulação de imagem HAADF-STEM, para obter uma visão mais profunda do processo de crescimento.

Eles observaram domínios girados 120 graus em ambos os tipos de nanofios (de 0 graus e 45 graus de orientação cristalina), cujas interfaces são muito nítidas. Sem ligações pendentes ou estados eletrônicos intermediários formados na interface girada. Eles explicaram esse fenômeno como resultado do crescimento simultâneo e independente de cristais com diferentes orientações em partes separadas das aberturas da máscara. À medida que o crescimento continua, todas as partes se fundem em uma estrutura única e a dominante integra completamente as outras. Duas animações foram realizadas para ilustrar este processo nos dois tipos de nanofios; eles estão disponíveis aqui (orientação de 0 graus) e aqui (orientação de 45 graus).

Este estudo demonstra que a abordagem em nanoescala baseada na epitaxia de área seletiva garante a fabricação de Zn de alta qualidade₃ P₂ cristais, ou seja, seu crescimento sem defeitos na interface. Ele também comprova as capacidades de técnicas avançadas de microscopia e imagem (especificamente, o AC HAADF-STEM acima mencionado) e modelagem atômica 3D e simulações de imagem para entender completamente a formação de defeitos e seu impacto em novos materiais. + Explorar mais

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