Criar novos materiais combinando camadas com propriedades únicas e benéficas parece um processo bastante intuitivo – empilhar os materiais e acumular os benefícios. No entanto, nem sempre é esse o caso. Nem todo material permitirá que a energia viaje através dele da mesma maneira, fazendo com que os benefícios de um material venham às custas de outro.



Usando ferramentas de ponta, cientistas do Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN), uma instalação de usuário do Departamento de Energia dos EUA (DOE) no Laboratório Nacional de Brookhaven, e do Instituto de Física Experimental da Universidade de Varsóvia criaram uma nova estrutura em camadas com Materiais 2D que exibem uma transferência única de energia e carga. A compreensão das propriedades de seus materiais pode levar a avanços em tecnologias como células solares e outros dispositivos optoeletrônicos. Os resultados foram publicados na revista Nano Letters .

Materiais 2D:minúsculos, mas poderosos

Os dichalcogenetos de metais de transição (TMDs) são uma classe de materiais estruturados como sanduíches com camadas atomicamente finas. A carne de um TMD é um metal de transição, que pode formar ligações químicas com elétrons em sua órbita ou camada mais externa, como a maioria dos elementos, bem como com a próxima camada. Esse metal está imprensado entre duas camadas de calcogênios, uma categoria de elementos que contém oxigênio, enxofre e selênio.

Todos os calcogênios têm seis elétrons em sua camada mais externa, o que torna seu comportamento químico semelhante. Cada uma dessas camadas de material tem apenas um átomo de espessura – um milionésimo da espessura de um fio de cabelo humano – o que as leva a serem chamadas de materiais bidimensionais (2D).

"No nível atômico, você consegue ver essas propriedades eletrônicas únicas e ajustáveis", disse Abdullah Al-Mahboob, cientista da equipe de Brookhaven no grupo CFN Interface Science and Catalysis. "As DTMs são como um playground da física. Estamos movendo energia de um material para outro em nível atômico."

Algumas novas propriedades começam a surgir de materiais nesta escala. O grafeno, por exemplo, é a versão 2D do grafite, o material de que é feita a maioria dos lápis. Numa experiência ganhadora do Prêmio Nobel, os cientistas usaram um pedaço de fita adesiva para retirar flocos de grafite para estudar uma camada de grafeno. Os pesquisadores descobriram que o grafeno é incrivelmente forte em nível atômico – 200 vezes mais forte que o aço em relação ao seu peso. Além disso, o grafeno é um ótimo condutor térmico e elétrico e possui um espectro de absorção de luz único. Isso abriu a porta para o estudo das formas 2D de outros materiais e suas propriedades.

Os materiais 2D são interessantes por si só, mas quando combinados, coisas surpreendentes começam a acontecer. Cada material tem o seu próprio superpoder – proteger os materiais do ambiente, controlar a transferência de energia, absorver luz em diferentes frequências – e quando os cientistas começam a empilhá-los, criam o que é conhecido como heteroestrutura. Essas heteroestruturas são capazes de fazer coisas extraordinárias e poderão um dia ser integradas em tecnologias futuras, como componentes eletrônicos menores e detectores de luz mais avançados.

QPress:uma ferramenta experimental inédita

Embora a exploração destes materiais possa ter começado com algo tão simples como um pedaço de fita adesiva, as ferramentas utilizadas para extrair, isolar, catalogar e construir materiais 2D tornaram-se bastante avançadas. No CFN, todo um sistema foi dedicado ao estudo dessas heteroestruturas e das técnicas utilizadas para criá-las – o Quantum Material Press (QPress).

“É difícil comparar o QPress com qualquer coisa”, disse Suji Park, cientista da equipe de Brookhaven especializado em materiais eletrônicos. "Ele constrói uma estrutura camada por camada, como uma impressora 3D, mas heteroestruturas 2D são construídas por uma abordagem totalmente diferente. O QPress cria camadas de material com um ou dois átomos de espessura, analisa-as, cataloga-as e, finalmente, monta-as. Robótica é usado para fabricar sistematicamente essas camadas ultrafinas para criar novas heteroestruturas."

O QPress possui três módulos personalizados:o esfoliante, o catalogador e o empilhador. Para criar camadas 2D, os cientistas usam o esfoliante. Semelhante à técnica de fita adesiva manual, o esfoliante possui um conjunto de rolo mecanizado que esfolia camadas finas de cristais de origem maiores com controles que fornecem o tipo de precisão que não pode ser alcançado manualmente.

Uma vez coletados e distribuídos, os cristais de origem são pressionados sobre uma pastilha de óxido de silicone e removidos. Eles são então repassados ​​ao catalogador, um microscópio automatizado que combina diversas técnicas de caracterização óptica. O catalogador usa aprendizado de máquina (ML) para identificar fragmentos de interesse que são então catalogados em um banco de dados. Atualmente, o ML é treinado apenas com dados de grafeno, mas os pesquisadores continuarão adicionando diferentes tipos de materiais 2D. Os cientistas podem usar esse banco de dados para encontrar os flocos de material necessários para suas pesquisas.

Quando os materiais necessários estiverem disponíveis, os cientistas podem usar o empilhador para fabricar heteroestruturas a partir deles. Usando robótica de alta precisão, eles pegam os flocos de amostra e os organizam na ordem necessária, em qualquer ângulo necessário, e transferem substratos para criar a heteroestrutura final, que pode ser armazenada a longo prazo em uma biblioteca de amostras para uso posterior.

O clima é controlado para garantir a qualidade das amostras e o processo de fabricação, desde a esfoliação até a construção de heteroestruturas, é conduzido em ambiente de gás inerte em um porta-luvas. Os flocos esfoliados e as amostras empilhadas são armazenados a vácuo, nas bibliotecas de amostras do cluster QPress.

Além disso, ferramentas de evaporação por feixe de elétrons, recozimento e plasma de oxigênio estão disponíveis no lado do vácuo do cluster. A robótica é usada para passar amostras de uma área do QPress para outra. Porém, uma vez fabricadas essas novas heteroestruturas, o que elas realmente fazem e como o fazem?

Depois que a equipe do CFN fabricou esses novos materiais fascinantes com o QPress, eles integraram os materiais a um conjunto de ferramentas avançadas de microscopia e espectroscopia que lhes permitiram explorar propriedades optoeletrônicas sem expor as amostras ao ar, o que degradaria as estruturas do material. Algumas das propriedades quânticas delicadas e exóticas em materiais 2D precisam de temperaturas criogênicas ultrabaixas para serem detectadas, até apenas alguns Kelvins. Caso contrário, eles serão perturbados pela menor quantidade de calor ou por quaisquer produtos químicos presentes no ar.

Esta plataforma incluirá microscópios avançados, espectrômetros de raios X e lasers ultrarrápidos que são capazes de investigar o mundo quântico em temperaturas criogênicas.

Construindo estruturas melhores

Usando os recursos avançados desses recursos, a equipe conseguiu obter uma imagem mais detalhada de como funciona a transferência de energia a longa distância em TMDs.

A energia quer mover-se através dos materiais, da mesma forma que uma pessoa quer subir uma escada, mas precisa de um lugar onde se agarrar. Bandgaps podem ser considerados o espaço entre os degraus de uma escada. Quanto maior a lacuna, mais difícil e lento será escalar. Se a lacuna for muito grande, talvez nem seja possível terminar de subir. Utilizando materiais que já possuem excelentes propriedades condutoras, esta equipa especializada de cientistas conseguiu empilhá-los de uma forma que aproveitou a sua estrutura para criar caminhos que transferem a carga de forma mais eficiente.

Um dos DTMs que a equipe criou foi o dissulfeto de molibdênio (MoS₂ ), que foi demonstrado em estudos anteriores como tendo forte fotoluminescência. A fotoluminescência é o fenômeno que faz com que certos materiais brilhem no escuro após serem expostos à luz. Quando um material absorve luz com mais energia do que a energia do bandgap, ele pode emitir luz com energia de fótons igual à energia do bandgap.

Se um segundo material com um bandgap de energia igual ou inferior se aproximar do primeiro, tão próximo quanto um subnanômetro a alguns nanômetros, a energia pode ser transferida de forma não radiativa do primeiro material para o segundo. O segundo material pode então emitir luz com energia de fóton igual ao seu bandgap de energia.

Com uma camada isolante feita de nitreto de boro hexagonal (hBN), que impede a condutividade eletrônica, os cientistas observaram um tipo incomum de transferência de energia de longa distância entre este TMD e um feito de disseleneto de tungstênio (WSe₂ ), que conduz eletricidade de forma muito eficiente. O processo de transferência de energia ocorreu a partir dos materiais com bandgap inferior para superior, o que não é típico em heteroestruturas TMD, onde a transferência geralmente ocorre a partir dos materiais 2D com bandgap superior para inferior.

A espessura da camada intermediária desempenhou um papel importante, mas também pareceu desafiar as expectativas. “Ficamos surpresos com o comportamento deste material”, disse Al-Mahboob. "A interação entre as duas camadas aumenta junto com o aumento da distância até certo ponto, e então começa a diminuir. Variáveis ​​​​como espaçamento, temperatura e ângulo desempenharam um papel importante."

Ao compreender melhor como estes materiais absorvem e emitem energia a esta escala, os cientistas podem aplicar estas propriedades a novos tipos de tecnologias e melhorar as atuais. Isso poderia incluir células solares que absorvem a luz de forma mais eficaz e retêm uma carga melhor, fotossensores com maior precisão e componentes eletrônicos que podem ser reduzidos para tamanhos ainda menores para dispositivos mais compactos.

Mais informações: Arka Karmakar et al, Troca Excitônica de Alta Potência Dependente de Excitação via Transferência de Energia Intercamada de Material 2D de Bandgap Inferior para Superior, Nano Letras (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01127
Informações do diário: Nanoletras

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Brookhaven