Pesquisadores da Skoltech e seus colegas da Universidade Ludwig Maximilian de Munique, Alemanha, da Universidade Nanjing da China e do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão desenvolveram um método para depositar moléculas orgânicas em um semicondutor bidimensional de maneira altamente controlada. Testada neste estudo de prova de conceito, a técnica usa nanoestruturas de origami de DNA automontadas para transportar moléculas de corante orgânico em um padrão predefinido coberto por um semicondutor 2D. No futuro, a técnica poderá ser usada para criar componentes para dispositivos ultrapequenos de alto desempenho. O artigo de pesquisa foi publicado na revista Small Strategies.
Originalmente inspirada no grafeno, uma nova classe de materiais semicondutores atomicamente finos – como o dissulfeto de molibdênio – promete permitir dispositivos eletrônicos e ópticos menores e mais eficientes do que aqueles obtidos com semicondutores convencionais como o silício. No entanto, operar em uma escala tão pequena introduz um desafio significativo de nanopadronização: a criação de caminhos funcionais e bem definidos dentro de um materials bidimensional requer um nível de precisão que ultrapassa os limites das técnicas atuais de fabricação.
“Existem duas abordagens básicas para criar uma ‘paisagem’ em uma folha semicondutora 2D para guiar a condução de excitons ao longo de caminhos preferidos: ou você introduz algum tipo de defeito que altera a estrutura inicialmente uniforme do materials, o que até agora não é possível fazer com precisão nanométrica, ou você deposita moléculas orgânicas na monocamada, mas até agora isso não foi feito de forma controlada, e a aleatoriedade do padrão resultante limita a eficiência do dispositivo, “ disse a coautora do estudo, professora assistente Irina Martynenko, da Skoltech Physics.
A equipe demonstrou com sucesso uma maneira de depositar moléculas de corante orgânico em uma monocamada de dissulfeto de molibdênio usando a técnica de origami de DNA. Envolve projetar nanoestruturas de DNA com aproximadamente 100 nanômetros de tamanho que transportam moléculas de corante em posições predefinidas. A construção resultante é colocada em um chip e coberta por um semicondutor 2D.
Imagem. Mapa de fotoluminescência de um floco triangular de dissulfeto de molibdênio atomicamente fino com (direita) e sem (esquerda) a contribuição do padrão de corante de origami de DNA subjacente. As moléculas de corante transportadas pelo DNA afetam claramente a emissão de luz através do floco. Crédito: Shen Zhao et al./Métodos Pequenos
“Nossos experimentos mostram que, em primeiro lugar, as estruturas de corante de origami de DNA se montam corretamente e, em segundo lugar, as moléculas de corante e a monocamada de dissulfeto de molibdênio realmente exibem o fenômeno de transferência de energia de ressonância de Förster. Isso é o que permite a troca de energia entre os dois materiais e, portanto, permite que as propriedades do semicondutor sejam estruturadas em nanoescala pelo padrão depositado. Você pode ver isso em imagens de fotoluminescência onde um floco triangular de dissulfeto de molibdênio exibe emissão de luz mais ou menos uniforme em um comprimento de onda não relevante para as moléculas de corante depositadas atrás do floco, mas emite claramente mais luz em regiões onde as moléculas de corante absorvem luz”, disse um dos autores do estudo, professor associado Anvar Baimuratov da Skoltech Physics.
Agora que a equipe confirmou que o origami de DNA pode ser usado para padronizar com precisão e confiabilidade a paisagem energética de semicondutores bidimensionais em nanoescala, os pesquisadores tentarão criar dispositivos nanoeletrônicos e nanofotônicos específicos usando esta técnica. Eventualmente, tais materiais híbridos nanoestruturados poderiam permitir o projeto de dispositivos compactos de alto desempenho para computação óptica e simulações quânticas, detecção de luz, and many others.