Novo método de produção de cristal pode aprimorar computadores quânticos e eletrônicos

Crescimento de cristais ultrafinos de bismuto dentro de um molde vdW. a – c, Esquemas transversais do processo de molde vdW com imagens ópticas correspondentes do bismuto. a, Floco de bismuto encapsulado em hBN em um substrato inferior de Si/SiO₂ antes de apertar. b, A compressão uniaxial (seta vermelha vertical) é aplicada à pilha por um substrato superior rígido (vidro ou safira) enquanto a platina é aquecida. Quando o bismuto atinge o seu ponto de fusão, ele rapidamente se comprime e se expande lateralmente. c, O bismuto é resfriado abaixo do seu ponto de fusão e então a pressão é removida, resultando em um cristal de bismuto ultrafino. A inserção mostra a estrutura atômica. d, Imagem óptica do bismuto encapsulado moldado em vdW (amostra M30); triângulos pretos indicam a localização do traço da linha AFM (parte superior) do bismuto obtido após a remoção do floco hBN superior. Este bismuto varia de 10 a 20 nm de espessura. e, topografia AFM do bismuto moldado por vdW após a remoção do hBN superior, mostrando amplos terraços planos. Os triângulos pretos mostram a localização do traço da linha (parte superior). A altura média do degrau é 3,9 ± 0,4 Å. O diagrama inserido na região sombreada mostra a estrutura cristalina. Crédito:Materiais da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01894-0

Em um estudo publicado na Nature Materials , cientistas da Universidade da Califórnia, em Irvine, descrevem um novo método para fazer cristais muito finos do elemento bismuto - um processo que pode tornar a fabricação de eletrônicos flexíveis baratos uma realidade cotidiana.

“O bismuto fascina os cientistas há mais de cem anos devido ao seu baixo ponto de fusão e propriedades eletrônicas únicas”, disse Javier Sanchez-Yamagishi, professor assistente de física e astronomia na UC Irvine e coautor do estudo. "Desenvolvemos um novo método para fazer cristais muito finos de materiais como o bismuto e, no processo, revelar comportamentos eletrônicos ocultos das superfícies do metal."

As folhas de bismuto que a equipe fez têm apenas alguns nanômetros de espessura. Sanchez-Yamagishi explicou como os teóricos previram que o bismuto contém estados eletrônicos especiais que permitem que ele se torne magnético quando a eletricidade flui através dele – algo essencial para dispositivos eletrônicos quânticos baseados no spin magnético dos elétrons.

Um dos comportamentos ocultos observados pela equipe são as chamadas oscilações quânticas originadas nas superfícies dos cristais.

“As oscilações quânticas surgem do movimento de um elétron em um campo magnético”, disse Laisi Chen, Ph.D. candidato em física e astronomia na UC Irvine e um dos principais autores do artigo. "Se o elétron puder completar uma órbita completa em torno de um campo magnético, ele poderá exibir efeitos que são importantes para o desempenho da eletrônica. As oscilações quânticas foram descobertas pela primeira vez no bismuto na década de 1930, mas nunca foram vistas em cristais de bismuto com espessura nanométrica. "

Amy Wu, Ph.D. candidato em física no laboratório de Sanchez-Yamagishi, comparou o novo método da equipe a uma prensa de tortilha. Para fazer as folhas ultrafinas de bismuto, explicou Wu, eles tiveram que espremer o bismuto entre duas placas quentes. Para tornar as folhas tão planas como são, eles tiveram que usar placas de moldagem perfeitamente lisas em nível atômico, o que significa que não há manchas microscópicas ou outras imperfeições na superfície.

“Fizemos então uma espécie de quesadilla ou panini onde o bismuto é o recheio de queijo e as tortilhas são as superfícies atomicamente planas”, disse Wu.

“Houve um momento de nervosismo em que passamos mais de um ano fazendo esses lindos cristais finos, mas não tínhamos ideia se suas propriedades elétricas seriam algo extraordinário”, disse Sanchez-Yamagishi. "Mas quando resfriamos o dispositivo em nosso laboratório, ficamos surpresos ao observar oscilações quânticas, que não haviam sido vistas anteriormente em filmes finos de bismuto."

“A compressão é uma técnica de fabricação muito comum usada para fazer materiais domésticos comuns, como folha de alumínio, mas não é comumente usada para fazer materiais eletrônicos como os de seus computadores”, acrescentou Sanchez-Yamagishi. "Acreditamos que nosso método será generalizado para outros materiais, como estanho, selênio, telúrio e ligas relacionadas com baixos pontos de fusão, e pode ser interessante explorar futuros circuitos eletrônicos flexíveis."

Em seguida, a equipe quer explorar outras maneiras pelas quais os métodos de compressão e moldagem por injeção podem ser usados para fabricar os próximos chips de computador para telefones ou tablets.

“Nossos novos membros da equipe trazem ideias interessantes para este projeto e estamos trabalhando em novas técnicas para obter maior controle sobre a forma e a espessura dos cristais de bismuto cultivados”, disse Chen. "Isso simplificará a forma como fabricamos dispositivos e dará um passo mais perto da produção em massa."

A equipe de pesquisa incluiu colaboradores da UC Irvine, do Laboratório Nacional de Los Alamos e do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão.

Mais informações: Laisi Chen et al, Transporte eletrônico excepcional e oscilações quânticas em cristais finos de bismuto cultivados dentro de materiais de van der Waals, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01894-0
Informações do diário: Materiais Naturais

Fornecido pela Universidade da Califórnia, Irvine

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