Era pós-grafeno: Conheça os materiais 2,5D

Com informações do NIMS - 14/04/2023

Duas camadas de materiais monoatômicos podem ser muito mais interessantes que uma só.
[Imagem: xraycreative]

Materiais 2,5D

A descoberta do grafeno inaugurou o campo dos materiais bidimensionais, ou 2D, formados por apenas uma camada atômica.

Mas logo ficou claro que o grafeno era apenas um exemplo em um universo cada vez maior, que hoje contempla outros materiais de grande destaque, incluindo os Mxenos, as perovskitas, a molibdenita e tantos outros.

Veio então a primeira grande descoberta nesse novo universo: Que apenas girar uma camada desses materiais 2D em relação a outra camada superposta do mesmo material é suficiente para criar um mundo novo, incluindo fazer eletrônica usando apenas dois materiais ou gerar uma nova ligação molecular e outra arquitetura eletrônica.

Esse chamado "ângulo mágico" com que uma camada em girada em relação à outra deu origem ao que os especialistas agora chamam de "materiais 2,5D", que apresentam seu próprio conjunto de propriedades físicas únicas, diferentes dos materiais originais.

"O conceito 0,5D simboliza o grau adicional de liberdade dos materiais, composição, ângulos e espaço normalmente usados na pesquisa de materiais 2D," explica o professor Hiroki Ago, da Universidade de Kyushu, no Japão.

Girar os materiais em um ângulo mágico está entre as principais ferramentas para criar materiais 2,5D.
[Imagem: Philip Krantz/Krantz NanoArt]

Materiais monoatômicos empilhados

Um método comum para fabricar materiais 2,5D é a deposição química de vapor (CVD), que deposita uma camada - um átomo ou molécula de cada vez - sobre uma superfície sólida. Os materiais de construção mais comumente usados para materiais 2,5D incluem o próprio grafeno, o nitreto de boro hexagonal (hBN), um composto usado de cosméticos até a aeronáutica, e os dicalcogenetos de metais de transição (TMDCs), que estão entre os semicondutores 2D mais pesquisados.

Quando um campo elétrico é aplicado verticalmente através de uma bicamada de grafeno, por exemplo, ele abre um hiato de banda, o que significa que a condutividade pode ser ligada e desligada. Este é um fenômeno que não é observado no grafeno monocamada, o que inibe seu uso direto na computação porque ele permanece ligado o tempo todo. Além disso, basta inclinar o ângulo de empilhamento em um grau que o grafeno se torne supercondutor.

Já uma camada de grafeno sobre outra de hBN apresenta o efeito Hall quântico, um fenômeno de condução envolvendo um campo magnético que produz uma diferença de potencial. Empilhe duas camadas de TMDCs, por sua vez, e você terá excitons, elétrons emparelhados com suas lacunas associadas, um fenômeno explorado dos semicondutores aos supercondutores.

Bicamadas de molibdenita criam rodovias de calor dentro dos chips, resfriando-os mais rapidamente.
[Imagem: Daniel Spacek & Pavel Jirak/Chalmers University]

Aplicações

Aplicações futuras dos materiais 2,5D incluem células solares, baterias, dispositivos flexíveis, dispositivos quânticos e dispositivos com consumo de energia muito baixo.

A aplicação mais comumente citada pelos especialistas na área envolve uma nova geração de dispositivos de armazenamento de dados, mas as pesquisas mostram que pode-se esperar muito mais. Por exemplo, novas técnicas de montagem robótica já possibilitaram a construção de estruturas verticais complexas, incluindo uma heteroestrutura empilhada composta por 29 camadas alternadas de grafeno e hBN.

"Existem muitas oportunidades para explorar com este novo conceito 2,5D," reforçou Ago.

Quase tantas oportunidades quanto as possibilidades de mesclagem dos materiais 2D. Por isso, a última novidade na área é o uso de técnicas de aprendizado de máquina e aprendizado profundo para descobrir as combinações mais promissoras, acelerando os trabalhos nos laboratórios, hoje feitos principalmente por tentativa e erro.

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