Nanofolhas Cristalinas em Camadas Desbloqueiam Propriedades Eletrônicas Ajustáveis

Boro é um elemento não-metal versátil, mas até os últimos cinco anos, químicos apenas teorizaram sobre as propriedades úteis e aplicações de materiais bidimensionais (2D) contendo boro. Um grupo liderado por pesquisadores da Universidade de Tsukuba agora trouxe a teoria à vida preparando 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 materiais novos pode permitir maior controle sobre suas funcionalidades. Estudos computacionais anteriores sugeriram que BS poderia adotar várias estruturas 2D estáveis com propriedades únicas. Portanto, os pesquisadores fabricaram um material em massa de boro:sulfeto 1:1, que tinha uma estrutura cristalina romboédrica (um losango tridimensional) (r-BS), e então removeram nanocamadas individuais (2D BS), que mantiveram o arranjo cristalino do material original.

“Nossa análise confirmou o que nossos próprios cálculos previram”, diz o líder do grupo de pesquisa, Professor Takahiro Kondo. “Ou seja, nanofolhas de BS tinham uma energia de bandgap diferente do material em massa, e importantemente, o bandgap poderia ser ajustado com base no número de folhas 2D BS empilhadas.”

A capacidade de conduzir uma corrente elétrica está relacionada à energia de bandgap de um material, então é, portanto, uma propriedade-chave ligada a potenciais aplicações em dispositivos eletrônicos. Os pesquisadores descobriram que a energia de bandgap de uma única nanofolha de 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 em massa após cerca de cinco folhas serem montadas.

“Esta característica e a massa efetiva leve do elétron das nanofolhas de BS indicaram que elas poderiam potencialmente servir como materiais semicondutores do tipo n com alta condutividade”, disse Kondo, “o que as torna únicas entre outros materiais 2D contendo boro conhecidos que não têm bandgaps.”

Devido às suas estruturas de bandgap distintas, eletrodos compreendendo r-BS ou 2D BS responderam a diferentes comprimentos de onda de luz. O r-BS exigiu irradiação de menor energia (luz visível) para conduzir uma corrente e exibir comportamento fotocatalítico, enquanto o bandgap maior do 2D BS só era ativo sob luz ultravioleta de maior energia.

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