Uma equipe de pesquisa liderada pela UCLA produziu com detalhes sem precedentes mapas tridimensionais experimentais dos átomos em um material chamado 2D – matéria que não é realmente bidimensional, mas é quase plana porque está organizada em camadas extremamente finas, não mais do que alguns átomos de espessura.
Embora as tecnologias baseadas em materiais 2D ainda não tenham sido amplamente utilizadas em aplicações comerciais, os materiais têm sido objeto de considerável interesse de pesquisa. No futuro, eles poderão ser a base para semicondutores em componentes eletrônicos cada vez menores, componentes quânticos de computadores, baterias mais eficientes ou filtros capazes de extrair água doce da água salgada.
A promessa dos materiais 2D vem de certas propriedades que diferem de como os mesmos elementos ou compostos se comportam quando aparecem em maiores quantidades. Essas características únicas são influenciadas pelos efeitos quânticos – fenômenos que ocorrem em escalas extremamente pequenas que são fundamentalmente diferentes da física clássica vista em escalas maiores. Por exemplo, quando o carbono é disposto em uma camada atomicamente fina para formar grafeno 2D, ele é mais forte que o aço, conduz o calor melhor do que qualquer outro material conhecido e tem quase zero de resistência elétrica.
Mas o uso de materiais 2D em aplicativos do mundo real exigiria uma maior compreensão de suas propriedades e a capacidade de controlar essas propriedades. O novo estudo, publicado na Nature Materials, pode ser um passo adiante nesse esforço.
Os pesquisadores mostraram que seus mapas tridimensionais da estrutura atômica do material são precisos na escala do picômetro – medidos em um trilionésimo de metro. Eles usaram suas medidas para quantificar defeitos no material 2D, que podem afetar suas propriedades eletrônicas, bem como para avaliar com precisão essas propriedades eletrônicas.
“O que é único nesta pesquisa é que determinamos as coordenadas de átomos individuais em três dimensões sem usar modelos pré-existentes”, disse o autor correspondente Jianwei “John” Miao, professor de física e astronomia da UCLA. “E nosso método pode ser usado para todos os tipos de materiais 2D”.
Miao é vice-diretor do Centro de Ciência e Tecnologia da STROBE National Science Foundation e membro do California NanoSystems Institute da UCLA. Seu laboratório da UCLA colaborou no estudo com pesquisadores da Universidade de Harvard, do Laboratório Nacional de Oak Ridge e da Universidade de Rice.
Os pesquisadores examinaram uma única camada de dissulfeto de molibdênio, um material 2D frequentemente estudado. A granel, este composto é usado como lubrificante. Como material 2D, possui propriedades eletrônicas que sugerem que ele pode ser empregado na próxima geração de eletrônicos semicondutores. As amostras estudadas foram “dopadas” com traços de rênio, um metal que adiciona elétrons extras ao substituir o molibdênio. Esse tipo de doping é frequentemente usado para produzir componentes para computadores e eletrônicos, pois ajuda a facilitar o fluxo de elétrons em dispositivos semicondutores.
Para analisar o material 2D, os pesquisadores usaram uma nova tecnologia desenvolvida com base na microscopia eletrônica de varredura por transmissão, que produz imagens medindo elétrons dispersos transmitidos por amostras finas. A equipe de Miao desenvolveu uma técnica chamada tomografia de elétrons atômicos, que produz imagens em 3D capturando uma amostra em vários ângulos enquanto ela gira.
Os cientistas tiveram que evitar um grande desafio para produzir as imagens: os materiais 2-D podem ser danificados pela exposição excessiva aos elétrons. Assim, para cada amostra, os pesquisadores reconstruíram as imagens seção por seção e as uniram para formar uma única imagem 3D – permitindo que usassem menos digitalizações e, portanto, uma dose mais baixa de elétrons do que se tivessem imaginado a amostra inteira de uma só vez.
As duas amostras mediram 6 nanômetros por 6 nanômetros e cada uma das seções menores mediu cerca de 1 nanômetro por 1 nanômetro. (Um nanômetro é um bilionésimo de metro.)
As imagens resultantes permitiram aos pesquisadores inspecionar a estrutura tridimensional das amostras com uma precisão de 4 picômetros no caso de átomos de molibdênio – 26 vezes menor que o diâmetro de um átomo de hidrogênio. Esse nível de precisão lhes permitiu medir ondulações, distorcer a forma do material e variações no tamanho das ligações químicas, todas as alterações causadas pelo rênio adicionado – marcando a medida mais precisa de todas as características de um material 2D.
“Se assumirmos que a introdução do dopante é uma simples substituição, não esperaríamos grandes esforços”, disse Xuezeng Tian, co-primeiro autor do artigo e pesquisador de pós-doutorado da UCLA. “Mas o que observamos é mais complicado do que as experiências anteriores mostraram”.
Os cientistas descobriram que as maiores mudanças ocorreram na menor dimensão do material 2D, com sua altura de três átomos. Demorou apenas um átomo de rênio para introduzir tal distorção local.
Munidos de informações sobre as coordenadas tridimensionais do material, os cientistas de Harvard, liderados pela professora Prineha Narang, realizaram cálculos mecânicos quânticos das propriedades eletrônicas do material.
“Esses experimentos em escala atômica nos deram uma nova visão de como os materiais 2D se comportam e como devem ser tratados nos cálculos, e podem ser um divisor de águas para as novas tecnologias quânticas”, disse Narang.
Sem acesso ao tipo de medições geradas no estudo, esses cálculos da mecânica quântica convencionalmente foram baseados em um sistema de modelo teórico esperado a uma temperatura de zero absoluto.
O estudo indicou que as coordenadas medidas 3D levaram a cálculos mais precisos das propriedades eletrônicas do material 2D.
“Nosso trabalho pode transformar cálculos da mecânica quântica usando coordenadas atômicas experimentais em 3D como entrada direta”, disse o acadêmico de pós-doutorado da UCLA Dennis Kim, co-primeiro autor do estudo. “Essa abordagem deve permitir aos engenheiros de materiais prever e descobrir novas propriedades físicas, químicas e eletrônicas de materiais 2D no nível de átomo único”. Conclui.
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