Uma nova geração de eletrônicos e optoeletrônicos pode em breve ser possível controlando os ângulos de torção em um tipo particular de material 2D de bicamada usado nesses dispositivos, fortalecendo a carga elétrica intrínseca que existe entre as duas camadas, de acordo com pesquisadores da Penn State, Harvard University, Instituto de Tecnologia de Massachusetts e Universidade Rutgers.
Os pesquisadores trabalharam com materiais 2D regulares de dicalcogenetos de metais de transição (TMD) e Janus TMDs, uma classe de materiais 2D com o nome do deus romano da dualidade, Janus. Esses materiais 2D de bicamada têm uma interação entre as camadas conhecida como acoplamento interlayer de van der Waals que leva a uma transferência de carga, um processo importante para a funcionalidade de dispositivos eletrônicos. A transferência de carga para ambos os lados dos TMDs convencionais é a mesma devido a cada lado ter o mesmo tipo de átomos. No caso dos materiais Janus TMD, os átomos de cada lado do material são de tipos diferentes, levando a uma variada transferência de carga quando cada lado está em contato com outros materiais 2D.

"Em nosso estudo, os dois tipos de átomos em cada lado do material Janus TMD eram enxofre e selênio", disse Shengxi Huang, professor assistente de engenharia elétrica e engenharia biomédica na Penn State e coautor do estudo publicado recentemente em <ACS Nano . "Como eles são diferentes, pode haver uma separação de carga ou desequilíbrio de carga para o lado superior e inferior. Isso cria um campo elétrico intrínseco direcionado verticalmente que é muito diferente dos materiais 2D convencionais."

Em pesquisas anteriores, Huang e os outros pesquisadores trabalharam para entender se esse campo elétrico intrínseco impactaria materiais 2D adjacentes quando eles fossem colocados em camadas. Eles descobriram que o acoplamento é mais forte nos materiais Janus 2D do que nos materiais 2D tradicionais, devido à carga assimétrica causada pelos diferentes tipos de átomos de cada lado.

Para o trabalho atual, eles empilharam manualmente dois tipos de camadas de material, Janus TMD e materiais 2D regulares, o que causou ângulos aleatórios dependendo de como foram empilhados. Mas quando eles ajustaram os ângulos de como cada camada foi empilhada em graus específicos, eles fizeram uma descoberta interessante. Se os materiais em forma de triângulo são torcidos para empilhar em um ângulo de zero grau, quando estão perfeitamente alinhados, ou em um ângulo de 60 graus, quando são exatamente o oposto do alinhamento perfeito, eles descobriram que os acoplamentos são muito mais fortes do que em ângulos aleatórios. Além disso, eles também descobriram que o acoplamento entre camadas é mais forte quando o Janus TMD é colocado em camadas no TMD convencional com o mesmo tipo de elemento.

"A principal descoberta foi que, para essa mesma interface enxofre/enxofre, o acoplamento entre camadas é muito mais forte do que a interface enxofre/selênio", disse Huang. "E isso é por causa da distribuição de carga relacionada à direção do dipolo nesses átomos. Isso significa que pode haver uma transferência de carga efetiva entre as duas camadas. Com base em nossos cálculos, a separação, ou seja, a distância entre as camadas intermediárias, é muito menor , então isso mostra que há um acoplamento mais forte."

Para descobrir isso, Huang e a equipe usaram espectroscopia Raman de baixa frequência. Eles iluminaram as duas camadas de materiais 2D, o que fez com que os átomos dos materiais vibrassem. Se a vibração for mais rápida e em maior frequência, isso indica que o acoplamento entre camadas é forte.

"Você pode imaginar isso usando uma mola conectando duas bolas", disse Huang. "Se a mola está vibrando muito rápido, isso significa que esta mola é forte."

O outro método que a equipe usou durante sua pesquisa foi a espectroscopia de fotoluminescência. Quando duas camadas de material 2D trocam cargas entre si, a intensidade de emissão de luz em um dos materiais diminuirá. Isso ocorre porque existem algumas cargas que se transferem para a outra camada, e não há carga suficiente para que a fotoluminescência aconteça na camada “enviadora”.

"Usamos isso como uma medida do grau de transferência de carga entre as duas camadas", disse Kunyan Zhang, doutorando em engenharia elétrica na Penn State e co-autor principal do estudo. "Esses resultados que obtivemos da emissão de luz são consistentes com nossa espectroscopia Raman de baixa frequência. Onde vemos um acoplamento mais forte da vibração atômica, também vemos uma queda maior na emissão de luz."

Essas descobertas são importantes para o avanço da eletrônica e da optoeletrônica. Controlar o acoplamento entre camadas e induzir diferentes comportamentos ópticos e/ou eletrônicos tem grande importância para o desempenho de muitos dispositivos optoeletrônicos e eletrônicos.

"Essas novas habilidades materiais podem afetar muitas aplicações, desde optoeletrônica a dispositivos eletrônicos até habilidades catalíticas em dispositivos eletroquímicos, como baterias", disse Huang. "Esses dispositivos estão por toda parte em nossas vidas cotidianas, como iluminação, eletrônicos, eletrodomésticos e baterias."

O trabalho contínuo neste campo de pesquisa incluirá como o acoplamento entre camadas afeta outros tipos de materiais. Além disso, suas descobertas podem ser úteis para outros pesquisadores no futuro.

"Pessoas fora do nosso campo podem se beneficiar do nosso estudo", disse Zhang. "Ajustar esse tipo de acoplamento interno usando a interface com ângulos de torção não foi estudado antes. Essas descobertas podem ser impressionantes para outros no campo 2D cujo trabalho não envolve Janus TMDs". + Explorar mais

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