Pesquisadores adicionam um 'toque' ao design clássico de materiais

24 de janeiro de 2024

(Notícias do Nanowerk) Researchers with the Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University and the DOE’s Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) grew a twisted multilayer crystal structure for the first time and measured the structure’s key properties. The twisted structure could help researchers develop next-generation materials for solar cells, quantum computers, lasers and other devices. “This structure is something that we have not seen before – it was a huge surprise to me,” said Yi Cui, a professor at Stanford and SLAC and paper co-author. “A new quantum electronic property could appear within this three-layer twisted structure in future experiments.” RUBRICA

Adicionando camadas, com um toque diferente

The crystals the team designed extended the concept of epitaxy, a phenomenon that occurs when one type of crystal material grows on top of another material in an ordered way – kind of like growing a neat lawn on top of soil, but at the atomic level. Understanding epitaxial growth has been critical to the development of many industries for more than 50 years, particularly the semiconductor industry. Indeed, epitaxy is part of many of the electronic devices that we use today, from cell phones to computers to solar panels, allowing electricity to flow, and not flow, through them. To date, epitaxy research has focused on growing one layer of material onto another, and the two materials have the same crystal orientation at the interface. This approach has been successful for decades in many applications, such as transistors, light-emitting diodes, lasers and quantum devices. But to find new materials that perform even better for more demanding needs, like quantum computing, researchers are searching for other epitaxial designs – ones that might be more complex, yet better performing, hence the “twisted epitaxy” concept demonstrated in this study. In their experiment, detailed in Ciência (“Twisted epitaxy of gold nanodisks grown between twisted substrate layers of molybdenum disulfide”), os pesquisadores adicionaram uma camada de ouro entre duas folhas de um material semicondutor tradicional, o dissulfeto de molibdênio (MoS2). Because the top and bottom sheets were oriented differently, the gold atoms could not align with both simultaneously, which allowed the Au structure to twist, said Yi Cui, Professor Cui’s graduate student in materials science and engineering at Stanford and co-author of the paper. “With only a bottom MoS2 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. "

Zapping 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 de 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 toda uma nova série de experimentos que podemos tentar. Poderíamos estar no caminho certo para encontrar novas propriedades materiais que poderíamos explorar.”

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• Fonte: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64500.php