Um método escalonável cria superredes 2D torcidas ultralimpas, permitindo imagens de raios X de alta resolução de bandas dobradas ligadas a efeitos quânticos exóticos.
(Notícias Nanowerk) Características eletrônicas emocionantes surgem quando os cientistas empilham Materiais 2D uns sobre os outros e dê uma pequena torção na camada superior.
A torção transforma um materials regular em uma rede padronizada e altera o comportamento quântico do materials. Esses materiais retorcidos demonstraram supercondutividade – onde um materials pode conduzir eletricidade sem perda de energia – bem como efeitos quânticos especiais. Os pesquisadores esperam que esses “twistrônicos” possam se tornar componentes em futuros dispositivos quânticos.
Mas criar essas estruturas empilhadas extremamente finas, chamadas superredes moiréé difícil de fazer. Os cientistas geralmente removem camadas únicas de materials usando fita adesiva e depois colam cuidadosamente essas camadas. No entanto, o método tem uma taxa de sucesso muito baixa, muitas vezes deixa contaminação entre as camadas e produz pequenas amostras menores que a largura de um fio de cabelo humano. Essas amostras são extremamente difíceis de reproduzir e é quase impossível ampliá-las para dispositivos reais, o que limita os tipos de experimentos que os pesquisadores podem realizar para descobrir os estranhos comportamentos quânticos internos.
Agora, o professor de química da Universidade de Stanford, Fang Liu, desenvolveu uma nova maneira de criar essas redes que são mais limpas e escaláveis em milímetros e centímetros de tamanho, com rendimento quase perfeito. Para mostrar as propriedades potenciais de seus materiais, Liu trabalhou com pesquisadores do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia. A equipe publicou seus resultados no Jornal da Sociedade Química Americana (“Superredes Moiré 2D uniformes macroscópicas com ângulos controláveis”).
Usando poderosos raios X da Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) do laboratório, os pesquisadores do SLAC criaram imagens da estrutura eletrônica das superredes. Com uma técnica chamada espectroscopia de fotoemissão com resolução angular (ARPES), eles observaram uma “impressão digital” eletrônica distinta de como os elétrons estão organizados dentro das novas superredes que confirmou o comportamento único dos materiais moiré.
“Ninguém foi capaz de resolver essas impressões digitais na borda da banda de um semicondutor torcido com esta resolução antes”, disse Liu. “Pela primeira vez, podemos ver plenamente o efeito destes fenómenos.”
Criando superredes limpas
O poder destas estruturas reside na sua arquitetura. Quando as camadas são empilhadas em um leve ângulo, seu padrão retorcido remodela a paisagem eletrônica. Em vez de se moverem livremente, os elétrons do materials ficam presos, formam túneis entre as camadas, alinham-se em padrões repetidos e até formam intricadas superredes de elétrons. Esta coreografia incomum dá origem a uma série de fenômenos quânticos exóticos.
Mas o método da fita adesiva para criá-los é “extremamente baixo, ineficiente e depende da sorte”, disse Liu.
O aluno de pós-graduação de Liu, Gregory Zaborski Jr., e a equipe criaram uma nova maneira de construir essas estruturas usando ouro como uma espécie de fita superadesiva. O ouro adere-se mais fortemente às camadas atómicas de um materials 2D do que às forças fracas que as mantêm unidas, permitindo aos investigadores retirar uma única folha. Ao empilhar cuidadosamente duas dessas camadas recém-descascadas com o giro certo, a equipe pode criar estruturas moiré ultralimpas de alta qualidade e grandes o suficiente para serem vistas a olho nu.
“Ele se descola com muita facilidade, com um rendimento próximo de 100%”, disse Liu. As amostras também são grandes: embora tenham apenas um a alguns átomos de espessura, podem ter até alguns centímetros de largura, o que é importante para a construção de dispositivos reais com elas.
Liu e sua equipe usaram o método para criar superredes moiré a partir de vários materiais 2D, incluindo grafeno, dissulfeto de molibdênio e outros materiais semicondutores e isolantes nos quais os cientistas estão interessados para nanoeletrônica, sensores e armazenamento de energia.
Imagem da banda dobrada
Para testar se as novas superredes tinham propriedades eletrônicas únicas, Liu recorreu ao SLAC. Lá, a equipe usou o ARPES para sondar a estrutura eletrônica das superredes moiré. A técnica direciona os raios X do SSRL para a amostra, que por sua vez emite fotoelétrons que carregam informações críticas sobre os elétrons dentro do materials, como a relação energia-momento desses elétrons ou a estrutura da banda. Os pesquisadores usam essas informações para entender como os estados eletrônicos de um materials criam certos comportamentos exóticos, incluindo fenômenos quânticos.
Os pesquisadores não foram capazes de compreender completamente as superredes moiré em experimentos anteriores porque os tamanhos das amostras eram muito pequenos e não uniformes o suficiente. Mas com as amostras maiores e mais limpas de Liu, Lu e a equipa conseguiram obter imagens da superrede com resolução suficientemente alta para identificar o que é conhecido como “faixa dobrada” – uma banda de energia que desempenha um papel em fenómenos físicos intrigantes, como a supercondutividade.
“Foi uma combinação perfeita entre as características do nosso feixe e a qualidade da amostra”, disse Lu. “Combinando a amostra de grande área e de alta qualidade com a medição de alto rendimento no SSRL, conseguimos alcançar uma resolução que destacou o verdadeiro avanço do trabalho de Fang.”
Em seguida, Liu planeja fazer um dispositivo com superredes para testar sua capacidade de alcançar fenômenos físicos interessantes.
“E estaremos prontos para fotografá-los com ARPES”, disse Lu.