Imagens anulares de microscopia eletrônica de varredura de campo escuro de uma interface de bicamada após pulsos de calor a 500° (esquerda), 600° (meio) e 700° (direita). Linhas coloridas tracejadas marcam as posições da interface à medida que ela é deslocada com o aquecimento. Crédito:Grainger College of Engineering da Universidade de Illinois Urbana-Champaign A electrónica baseada em silício está a aproximar-se das suas limitações físicas e são necessários novos materiais para acompanhar as actuais exigências tecnológicas. Os materiais bidimensionais (2D) possuem uma rica gama de propriedades, incluindo supercondutividade e magnetismo, e são candidatos promissores para uso em sistemas eletrônicos, como transistores. No entanto, controlar com precisão as propriedades destes materiais é extraordinariamente difícil.
Em um esforço para entender como e por que as interfaces 2D assumem as estruturas que assumem, pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign desenvolveram um método para visualizar o rearranjo induzido termicamente de materiais 2D, átomo por átomo, de torcido para estruturas alinhadas usando microscopia eletrônica de transmissão (TEM).
Eles observaram um mecanismo novo e inesperado para esse processo, onde um novo grão era semeado dentro de uma monocamada, cuja estrutura era modelada pela camada adjacente. Ser capaz de controlar a torção macroscópica entre as camadas permite maior controle sobre as propriedades de todo o sistema.
Esta pesquisa, liderada pelo professor de ciência e engenharia de materiais Pinshane Huang e pelo pesquisador de pós-doutorado Yichao Zhang, foi publicada recentemente na revista Science Advances .
“É muito importante como as interfaces da bicamada se alinham e por meio de qual mecanismo elas se transformam em uma configuração diferente”, diz Zhang. "Ele controla as propriedades de todo o sistema de bicamada que, por sua vez, afeta seu comportamento em nanoescala e microscópico."
A estrutura e as propriedades das multicamadas 2D são frequentemente altamente heterogêneas e variam amplamente entre amostras e até mesmo dentro de uma amostra individual. Dois dispositivos com apenas alguns graus de torção entre as camadas podem ter comportamentos diferentes. Os materiais 2D também são conhecidos por se reconfigurarem sob estímulos externos, como o aquecimento, que ocorre durante o processo de fabricação de dispositivos eletrônicos.
“As pessoas geralmente pensam nas duas camadas como duas folhas de papel torcidas em 45° uma da outra. Para fazer com que as camadas passem de torcidas para alinhadas, basta girar o pedaço de papel inteiro”, diz Zhang. "Mas o que descobrimos, na verdade, é que ele tem um núcleo - um domínio localizado alinhado em nanoescala - e esse domínio fica cada vez maior em tamanho. Dadas as condições corretas, esse domínio alinhado pode assumir todo o tamanho da bicamada."
Embora os pesquisadores tenham especulado que isso pode acontecer, não houve qualquer visualização direta em escala atômica que provasse ou refutasse a teoria. Zhang e os outros pesquisadores, no entanto, conseguiram rastrear diretamente o movimento de átomos individuais para ver o pequeno domínio alinhado crescer. Eles também observaram que regiões alinhadas poderiam se formar em temperaturas relativamente baixas, ~200°C, na faixa de temperaturas típicas de processamento para dispositivos 2D.
Não existem câmeras pequenas e rápidas o suficiente para capturar a dinâmica atômica. Como então a equipe conseguiu visualizar esse movimento átomo por átomo? A solução é muito original. Eles primeiro encapsularam a bicamada torcida em grafeno, essencialmente construindo uma pequena câmara de reação ao seu redor, para observar a bicamada em resolução atômica à medida que era aquecida. O encapsulamento pelo grafeno ajuda a manter os átomos da bicamada no lugar para que qualquer transformação estrutural possa ser observada, em vez de a rede ser destruída pelos elétrons de alta energia do TEM.
A bicamada encapsulada foi então colocada em um chip que poderia ser aquecido e resfriado rapidamente. Para capturar a dinâmica atômica rápida, a amostra passou por pulsos de calor de meio segundo entre 100–1000°C. Após cada pulso, a equipe observaria onde os átomos estavam usando TEM e então repetiria o processo.
“Você pode realmente observar o sistema à medida que ele muda, à medida que os átomos passam de qualquer configuração em que foram colocados inicialmente, para a configuração que é energeticamente favorável, na qual eles desejam estar”, explica Huang. "Isso pode nos ajudar a entender tanto a estrutura inicial como ela é fabricada quanto como ela evolui com o calor."
Compreender como o rearranjo acontece pode ajudar a ajustar o alinhamento interfacial em nanoescala. “É impossível sublinhar o quão entusiasmadas as pessoas estão com essa sintonização”, diz Huang.
"A torção macroscópica entre as duas camadas é um parâmetro realmente importante porque, à medida que você gira uma sobre a outra, você pode realmente alterar as propriedades de todo o sistema. Por exemplo, se você girar o material 2D grafeno em um ângulo específico, ele se torna supercondutores. Para alguns materiais, se você girá-los, você muda o bandgap que muda a cor da luz que ele absorve e a energia da luz que ele emite. Todas essas coisas você muda alterando a orientação dos átomos entre as camadas.
