Pesquisadores do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia, da Universidade de Stanford e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) do DOE desenvolveram uma estrutura cristalina multicamadas torcida pela primeira vez e mediram as principais propriedades da estrutura. A estrutura torcida poderia ajudar os pesquisadores a desenvolver materiais de próxima geração para células solares, computadores quânticos, lasers e outros dispositivos.



"Esta estrutura é algo que nunca vimos antes - foi uma grande surpresa para mim", disse Yi Cui, professor em Stanford e SLAC e coautor de um artigo publicado na Science descrevendo o trabalho. "Uma nova propriedade eletrônica quântica poderia aparecer dentro desta estrutura torcida de três camadas em experimentos futuros."

Adicionando camadas, com um toque diferente

Os cristais que a equipe projetou ampliaram o conceito de epitaxia, um fenômeno que ocorre quando um tipo de material cristalino cresce sobre outro material de maneira ordenada – como se um gramado bem cuidado crescesse no topo do solo, mas no nível atômico. Compreender o crescimento epitaxial tem sido fundamental para o desenvolvimento de muitas indústrias há mais de 50 anos, particularmente a indústria de semicondutores. Na verdade, a epitaxia faz parte de muitos dos dispositivos eletrónicos que utilizamos hoje, desde telemóveis a computadores e painéis solares, permitindo que a eletricidade flua – e não flua – através deles.

Até o momento, a pesquisa sobre epitaxia concentrou-se no crescimento de uma camada de material sobre outra, e os dois materiais têm a mesma orientação cristalina na interface. Esta abordagem tem sido bem-sucedida há décadas em muitas aplicações, como transistores, diodos emissores de luz, lasers e dispositivos quânticos. Mas para encontrar novos materiais com desempenho ainda melhor para necessidades mais exigentes, como a computação quântica, os investigadores estão à procura de outros designs epitaxiais - aqueles que possam ser mais complexos, mas com melhor desempenho, daí o conceito de "epitaxia torcida" demonstrado neste estudo.

Em seu experimento, os pesquisadores adicionaram uma camada de ouro entre duas folhas de um material semicondutor tradicional, o dissulfeto de molibdênio (MoS₂ ). Como as folhas superior e inferior eram orientadas de maneira diferente, os átomos de ouro não podiam se alinhar com ambas simultaneamente, o que permitiu que a estrutura do Au se torcesse, disse Yi Cui, aluno de pós-graduação do professor Cui em ciência e engenharia de materiais em Stanford e coautor do artigo. .

"Com apenas um MoS inferior₂ camada, o ouro fica feliz em se alinhar com ela, então nenhuma torção acontece", disse Cui, o estudante de pós-graduação. "Mas com dois MoS torcidos₂ folhas, o ouro não tem certeza de estar alinhado com a camada superior ou inferior. Conseguimos ajudar o ouro a resolver sua confusão e descobrimos uma relação entre a orientação do Au e o ângulo de torção da bicamada MoS₂ ."

Zappando nanodiscos de ouro

Para estudar detalhadamente a camada de ouro, a equipe de pesquisadores do Instituto Stanford de Ciências de Materiais e Energia (SIMES) e do LBNL aqueceu uma amostra de toda a estrutura a 500 graus Celsius. Em seguida, eles enviaram um fluxo de elétrons através da amostra usando uma técnica chamada microscopia eletrônica de transmissão (TEM), que revelou a morfologia, orientação e deformação dos nanodiscos de ouro após recozimento em diferentes temperaturas. Medir essas propriedades dos nanodiscos de ouro foi um primeiro passo necessário para entender como a nova estrutura poderia ser projetada para aplicações no mundo real no futuro.

"Sem este estudo, não saberíamos se seria possível torcer uma camada epitaxial de metal no topo de um semicondutor", disse Cui, o estudante de pós-graduação. "Medir a estrutura completa de três camadas com microscopia eletrônica confirmou que não só era possível, mas também que a nova estrutura poderia ser controlada de maneiras interessantes."

Em seguida, os pesquisadores querem estudar mais as propriedades ópticas dos nanodiscos de ouro usando TEM e saber se seu design altera propriedades físicas como a estrutura de bandas do Au. Eles também querem estender esse conceito para tentar construir estruturas de três camadas com outros materiais semicondutores e outros metais.

"Estamos começando a explorar se apenas esta combinação de materiais permite isso ou se isso acontece de forma mais ampla", disse Bob Sinclair, professor Charles M. Pigott na escola de Ciência e Engenharia de Materiais de Stanford e coautor do artigo. "Esta descoberta está abrindo uma nova série de experimentos que podemos tentar. Poderíamos estar no caminho certo para encontrar novas propriedades de materiais que poderíamos explorar."

Mais informações: Yi Cui et al, Epitaxia torcida de nanodiscos de ouro cultivados entre camadas de substrato torcido de dissulfeto de molibdênio, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk5947
Informações do diário: Ciência

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC