Materiais bidimensionais (2D) condutores eletronicamente são atualmente temas importantes de pesquisa tanto na física quanto na química devido às suas propriedades únicas que têm o potencial de abrir novos caminhos na ciência e na tecnologia. Além disso, a combinação de diferentes materiais 2D, chamados heteroestruturas, amplia a diversidade de suas propriedades elétricas, fotoquímicas e magnéticas. Isto pode levar a dispositivos eletrônicos inovadores que não seriam alcançáveis ​​apenas com um único material.



As heteroestruturas podem ser fabricadas de duas maneiras:verticalmente, com materiais empilhados uns sobre os outros, ou lateralmente, onde os materiais são empilhados lado a lado no mesmo plano. Arranjos laterais oferecem uma vantagem especial, confinando os portadores de carga a um único plano e abrindo caminho para dispositivos eletrônicos “no plano” excepcionais. No entanto, a construção de junções laterais é um desafio.

Nesse sentido, a condução de materiais 2D feitos com materiais orgânicos, chamados de “nanofolhas de coordenação”, é promissora. Eles podem ser criados combinando metais e ligantes, desde aqueles com propriedades metálicas, como o grafeno, e propriedades semicondutoras, como os dichalcogenetos de metais de transição, até aqueles que possuem propriedades isolantes, como o nitreto de boro.

Essas nanofolhas permitem um método exclusivo chamado transmetalação. Isto permite a síntese de heteroestruturas laterais com "heterojunções", que não podem ser alcançadas através de reação direta. Heterojunções são interfaces entre dois materiais que possuem propriedades eletrônicas distintas e, portanto, podem servir como dispositivos eletrônicos.

Além disso, ao utilizar heterojunções de nanofolhas coordenadas, podem ser criadas novas propriedades eletrônicas que têm sido difíceis de alcançar com materiais 2D convencionais. Apesar dessas vantagens, a pesquisa sobre transmetalação como método para fabricar heteroestruturas ainda é limitada.

Para resolver esta lacuna de conhecimento, uma equipe de pesquisadores do Japão, liderada pelo professor Hiroshi Nishihara do Instituto de Pesquisa de Ciência e Tecnologia da Universidade de Ciência de Tóquio (TUS), Japão, usou a transmetalação sequencial para sintetizar heterojunções laterais de Zn₃ Nanofolhas de coordenação BHT.

A equipe incluiu o Dr. Choon Meng Tan, o professor assistente Naoya Fukui, o professor assistente Kenji Takada e o professor assistente Hiroaki Maeda, também da TUS. O estudo, um esforço conjunto de pesquisa da TUS, da Universidade de Cambridge, do Instituto Nacional de Ciência de Materiais (NIMS), do Instituto de Tecnologia de Kyoto e do Instituto de Pesquisa de Radiação Síncrotron do Japão (JASRI), foi publicado na revista Angewandte. Edição Internacional Chemie em 5 de janeiro de 2024.

A equipe primeiro fabricou e caracterizou o Zn₃ Nanofolha de coordenação BHT. Em seguida, eles investigaram a transmetalação de Zn₃ BHT com cobre e ferro. O professor Nishihara explica:"Por meio da imersão sequencial e espacialmente limitada da nanofolha em soluções aquosas de cobre e íons de ferro sob condições amenas, fabricamos facilmente heteroestruturas com heterojunções no plano de ferro transmetalado e nanofolhas de cobre."

Este método é um processo de solução à temperatura ambiente e pressão atmosférica, desde a fabricação de nanofolhas coordenadas até a fabricação de heterojunções no plano. Este processo é completamente diferente do processo de processamento em fase gasosa de vácuo e alta temperatura usado na tecnologia de litografia para semicondutores de silício.

É um processo simples e barato que não requer grandes equipamentos. O desafio é como criar filmes finos altamente cristalinos e livres de impurezas. Se estiverem disponíveis salas limpas e reagentes altamente purificados, em breve serão alcançadas técnicas de produção comercialmente viáveis.

A heterojunção perfeita resultante obtida pelos pesquisadores demonstrou um comportamento retificador comum em circuitos eletrônicos. Testar as características do diodo revelou a versatilidade do Zn₃ Nanofolha de coordenação BHT. Estas características podem ser facilmente alteradas sem qualquer equipamento especial. Além disso, este material também permite a fabricação de um circuito integrado a partir de apenas uma única folha de coordenação, sem qualquer patchwork de materiais diferentes.

O professor Nishihara afirma:"Elementos retificadores ultrafinos (nanômetros de espessura) obtidos de nosso método serão bastante úteis para a fabricação de circuitos integrados de ultra grande escala. Simultaneamente, as propriedades físicas únicas de filmes de camada monoatômica com heterojunções no plano podem levar ao desenvolvimento de novos elementos."

Além disso, usando esta reação de transmetalação, é possível criar junções com diversas propriedades eletrônicas, como junções p – n, MIM (metal-isolante-metal) e MIS (metal-isolante-semicondutor). A capacidade de unir isoladores topológicos de camada única também permitirá novos dispositivos eletrônicos, como divisores de elétrons e dispositivos multiníveis, que só foram previstos teoricamente.

No geral, este estudo apresenta uma técnica simples, mas poderosa para a elaboração de heteroestruturas laterais, marcando um passo significativo na pesquisa de materiais 2D.

Mais informações: Choon Meng Tan et al, Retificador de junção heterometal lateral fabricado por transmetalação sequencial de nanofolha de coordenação, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI:10.1002/anie.202318181
Fornecido pela Universidade de Ciências de Tóquio