Uma maneira simples de montar semicondutores complexos

O empilhamento de filmes extremamente finos de material uns sobre os outros pode criar novos materiais com novas propriedades interessantes. Mas os processos mais bem-sucedidos para construir essas pilhas podem ser tediosos e imperfeitos, e não são adequados para produção em larga escala.

Agora, uma equipe liderada pelo professor de Stanford Hemamala Karunadasa criou uma maneira muito mais simples e rápida de fazer isso. Eles cultivaram camadas 2D de um dos materiais mais procurados, conhecidos como perovskitas, intercaladas com finas camadas de outros materiais em grandes cristais que se montam.

A montagem ocorre em frascos onde os ingredientes químicos para as camadas caem na água, junto com moléculas em forma de barra que direcionam a ação. Cada extremidade de uma barra carrega um modelo para crescer um tipo de camada. À medida que as camadas se cristalizam - um processo semelhante ao de fazer balas - os halteres ligam-nas automaticamente na ordem correta.

Os pesquisadores dizem que seu método estabelece as bases para a fabricação de uma ampla gama de semicondutores complexos de uma maneira muito mais deliberada, incluindo combinações de materiais que não eram conhecidos por se emparelharem em cristais antes.

“Em vez de manipular os materiais uma camada de cada vez”, disse Karunadasa, “estamos apenas jogando os íons em uma panela de água e deixando os íons se montarem da maneira que eles querem montar. Podemos fazer gramas desse material e sabemos onde estão os átomos nos cristais. Esse nível de precisão me permite saber como são realmente as interfaces entre as camadas, o que é importante para determinar a estrutura eletrônica do material – como seus elétrons se comportam.”

Perovskitas haletos - materiais que têm a mesma estrutura octaédrica que os minerais perovskitas de ocorrência natural - foram montados em água desde 1900. Eles têm muito potencial para absorver eficientemente a luz solar em células solares e convertê-lo em eletricidade, mas também são notoriamente instáveis, especialmente nos ambientes quentes e brilhantemente iluminados em que os fotovoltaicos operam.

A camada de perovskitas com outros materiais pode combinar suas propriedades de maneira a melhorar seu desempenho em aplicações específicas. Mas uma perspectiva ainda mais empolgante é que propriedades inteiramente novas e inesperadas podem surgir nas interfaces onde as camadas se encontram; por exemplo, os cientistas descobriram anteriormente que o empilhamento de filmes finos de dois tipos diferentes de isoladores pode criar um condutor elétrico.

É difícil prever quais combinações de materiais serão interessantes e úteis. Além disso, fazer materiais em camadas finas tem sido um processo lento e meticuloso. As camadas geralmente são feitas descascando filmes com apenas um ou dois átomos de espessura, um de cada vez, de um pedaço maior de material. É assim que o grafeno é feito de grafite, uma forma pura de carbono usada nas minas de lápis. Em outros casos, esses materiais em camadas finas são feitos em pequenos lotes a temperaturas muito altas.

“A maneira como eles são feitos não foi escalável e às vezes até difícil de reproduzir de um lote para outro”, disse Karunadasa. “Retirar camadas com apenas um ou dois átomos de espessura é um trabalho especializado; não é algo que você e eu podemos simplesmente ir ao laboratório e fazer. Essas folhas são como um baralho de cartas muito flexível; quando você tira um, ele pode amassar ou dobrar. Portanto, é difícil saber a estrutura exata da pilha final. Há muito pouco precedente para materiais que se pareçam com os que criamos neste estudo.”

Descobriu-se que essas camadas atomicamente finas tinham a mesma estrutura que blocos 3D de materiais semelhantes cujas propriedades já eram conhecidas e que duas camadas diferentes precisam distorcer levemente para compartilhar uma interface.

Criar as estruturas em camadas é o mesmo processo exato de fazer balas de pedra, onde você coloca uma cavilha de madeira em uma solução saturada de açúcar e os cristais de doces se espalham na cavilha”, disse o pesquisador Michael Aubrey. “Mas, neste caso, os materiais iniciais são diferentes e você não precisa de uma cavilha – os cristais começarão a se formar na água ou na superfície do frasco de vidro.”

A equipe fez seis dos materiais auto-montados, intercalando perovskitas com haletos metálicos ou sulfetos metálicos e os examinou com raios-X no Advanced Light