Ouro e prata viram semicondutores em escala atômica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/07/2020

A ilustração mostra uma camada monoatômica cristalina de ouro sob grafeno (antracita). A estrutura eletrônica da camada de ouro e o grafeno (verde) é mostrada acima.
[Imagem: Stiven Forti]

Metal vira semicondutor

Químicos conseguiram pela primeira vez produzir camadas cristalinas monoatômicas de metais preciosos - similares metálicos do grafeno, da molibdenita e tantos outros materiais 2D.

E como o ouro e a prata estão entre os melhores condutores de eletricidade que se conhece, qual não foi a surpresa dos pesquisadores quando as camadas monoatômicas desses dois metais apresentaram uma identidade inusitada: elas são semicondutoras.

O fato de que camadas monoatômicas de metais se comportem como semicondutores é mais uma demonstração de que os elétrons se comportam de modo diferente em camadas bidimensionais do que costumam fazer no material bruto 3D - as propriedades eletrônicas do grafeno são muito diferentes daquelas do grafite, de onde o material se origina.

E, como ouro e prata estão largamente presentes na indústria microeletrônica, esta descoberta tem potencial para ser explorada em novas aplicações dentro e fora dos chips, além de sensores.

Metais bidimensionais

Embora o grafeno tenha sido retirado do grafite usando uma fita adesiva, fabricar camadas monoatômicas de metais não é fácil.

"Com os métodos clássicos de deposição, os átomos de ouro, por exemplo, se aglomerariam imediatamente em cachos tridimensionais," explicam Philipp Rosenzweig e Ulrich Starke, do Instituto de Pesquisas do Estado Sólido, na Alemanha.

A dupla então trabalhou com um método diferente que eles mesmos criaram, chamado intercalação. O processo começa com uma pastilha de carbeto de silício, sobre a qual é depositada uma camada de grafeno. Quando um vapor de ouro é aplicado sobre essa pastilha em ambiente de vácuo, os átomos de ouro acomodam-se entre as camadas de carbeto de silício e grafeno.

A equipe já repetiu os experimentos com germânio, cobre, gadolínio e prata - e a prata também se torna semicondutora.

Esta é a coisa real, vista por um microscópio de tunelamento. As flutuações de brilho ocorrem porque o ouro e o grafeno interagem, formando uma super-rede, conhecida como rede de Moiré.
[Imagem: MPI for Solid State Research]

Aplicações tecnológicas

Como todas as teorias diziam que o ouro continuaria um excelente condutor metálico na forma 2D, a descoberta de seu comportamento semicondutor foi uma surpresa. "Interações entre os átomos de ouro e, ou o carbeto de silício ou o grafeno, obviamente desempenham seu papel aqui. Isso influencia os níveis de energia dos elétrons," arrisca Starke.

A descoberta abre a possibilidade de aplicações tecnológicas porque pequenos ajustes no método de fabricação definem se a camada monoatômica será condutora ou semicondutora: qualquer coisa maior do que uma camada, seja em toda a extensão do material, ou em pontos específicos, faz o ouro voltar a se tornar condutor. Assim, pode-se projetar componentes eletrônicos usando-se alternadamente mono e bi-camadas de ouro, obtendo funcionalidades usando um único material.

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