Camadas de nanofolhas cristalinas permitem propriedades eletrônicas ajustáveis

O boro é um elemento não metálico versátil, mas até os últimos cinco anos, os químicos apenas teorizaram sobre as propriedades úteis e aplicações de materiais bidimensionais (2D) contendo boro. Um grupo liderado por pesquisadores da Universidade de Tsukuba deu vida à teoria ao preparar as primeiras nanofolhas de monossulfeto de boro (BS) 2D que podem ser manuseadas camada por camada para controlar suas propriedades eletrônicas.

As áreas de superfície inerentemente grandes e diversos estados eletrônicos de materiais 2D os tornam bons candidatos para aplicações em baterias e outros dispositivos. Além disso, combinar blocos de construção 2D em novos materiais pode permitir maior controle sobre suas funcionalidades. Estudos computacionais anteriores sugeriram que o BS poderia adotar várias estruturas 2D estáveis ​​com propriedades únicas. Portanto, os pesquisadores fabricaram um material a granel de boro:sulfeto 1:1, que tinha uma estrutura cristalina romboédrica (um losango tridimensional) (r-BS) e, em seguida, removeu nanocamadas individuais (2D BS), que mantinham o material original. arranjo cristalino.

"Nossa análise confirmou o que nossos próprios cálculos previram", diz o líder do grupo de pesquisa, professor Takahiro Kondo. "Ou seja, as nanofolhas BS tinham uma energia de bandgap diferente do material a granel e, mais importante, o bandgap poderia ser ajustado com base no número de folhas BS 2D empilhadas".

A capacidade de conduzir uma corrente elétrica está relacionada à energia do bandgap de um material, portanto, é uma propriedade chave ligada a potenciais aplicações de dispositivos eletrônicos. Os pesquisadores descobriram que a energia bandgap de uma única nanofolha BS era relativamente grande, mas diminuía sucessivamente à medida que adicionavam uma ou duas camadas adicionais de nanofolhas. A energia de bandgap da pilha finalmente atingiu o nível do r-BS a granel depois que cerca de cinco folhas foram montadas.

"Esse recurso e a massa de elétrons efetivos da luz das nanofolhas de BS indicaram que elas poderiam servir como materiais semicondutores do tipo n com alta condutividade", disse Kondo, "o que os torna únicos entre outros materiais conhecidos contendo boro 2D que não tem bandgaps."

Por causa de suas estruturas de bandgap distintas, os eletrodos compreendendo r-BS ou 2D BS responderam a diferentes comprimentos de onda de luz. O r-BS necessitou de irradiação de baixa energia (luz visível) para conduzir uma corrente e exibir comportamento fotocatalítico, enquanto o bandgap maior do 2D BS só foi ativo sob luz ultravioleta de alta energia.

De fato, o boro está longe de ser chato! Esses fenômenos induzidos pela luz destacaram o fato de que os materiais de monossulfeto de boro 2D podem ser aplicados em dispositivos fotocatalíticos ou eletrônicos e, mais importante, suas propriedades podem ser ajustadas conforme necessário, controlando o número de nanofolhas.