Cientistas de materiais ensinam nanofios a 'dançar'
O microscópio eletrônico de ultra-alto vácuo escondido em um laboratório em um corredor indefinido no andar térreo do IBM Thomas J Watson Research Center (ele próprio escondido na floresta de Westchester County, NY) contém muitas pistas que ajudam os cientistas a desvendar a física que ocorre em dimensões em nanoescala. Compreender como os materiais se comportam em tamanhos tão pequenos abre a imaginação da comunidade científica para novos dispositivos eletrônicos futuros. O microscópio eletrônico funciona um pouco como uma fazenda, mas em vez de cultivar seu vegetal favorito, os objetos que crescem são nanofios:cristais extremamente estreitos, mas longos, feitos de materiais semicondutores, cada um com suas propriedades eletrônicas particulares.
O crescimento começa com minúsculas “sementes”, feitas de gotículas de metal catalítico, que os cientistas espalham em um “campo” plano de silício. Quando os ingredientes certos são fornecidos - calor e gases especiais - cada semente começa a crescer um nanofio. Mas, ao contrário de uma fazenda real, onde o crescimento começa no subsolo, aqui as gotas da semente ficam nas pontas dos nanofios, garantindo que o crescimento aconteça apenas nas pontas. O resultado é uma floresta de cristais longos e estreitos que crescem diretamente para cima. Em uma nova reviravolta na experimentação, a equipe mostrou que, quando ligam um campo elétrico, as gotas podem ser puxadas para o lado ou esticadas verticalmente. Este pequeno movimento de “dança” ou “alongamento” força os cristais em crescimento a mudarem de direção em resposta. O controle do campo elétrico do crescimento dos nanofios é uma nova fronteira, abrindo as portas para a construção de nanoestruturas personalizadas que podem ser integradas a novos tipos de dispositivos eletrônicos.
Cientistas da IBM, liderados pela Dra. Frances Ross, em colaboração com a Universidade de Cambridge, Universidade da Pensilvânia e Universidade Técnica da Dinamarca, publicaram seus resultados, "Controlando o crescimento de nanofios por meio de deformação induzida por campo elétrico da gota de catalisador" no último edição da Nature Communications esta semana (DOI:10.1038 / NCOMMS12271).
Para controlar o elegante processo mediado por gotículas que produz nanofios, a equipe já tentou muitos truques simples:mudar a temperatura, pressão, mistura de gases e materiais catalisadores durante o crescimento. “O que queríamos fazer aqui era tentar girar um novo botão para ver que tipo de estrutura obteríamos. O botão que adicionamos é um campo elétrico que criamos aplicando uma voltagem à amostra durante o crescimento. Quando ligamos e desligamos o campo, podíamos ver cada gota deformar e o crescimento do nanofio mudar para acompanhá-lo ”, disse Ross, cientista de materiais da IBM Research.
Esta é a razão pela qual a equipe realizou seus experimentos de crescimento no microscópio:eles puderam ver imediatamente os nanofios se movendo ao ligar o campo elétrico. O microscópio amplia o nanofio em crescimento em 50.000 vezes e registra 30 imagens a cada segundo, fornecendo muitos dados para análise.
“Parecia que valia a pena tentar os campos elétricos porque sabíamos que as gotas do catalisador se comportariam como qualquer outro metal em um campo elétrico e seriam puxadas na direção do campo”, disse Ross. “O que foi especialmente intrigante nesses experimentos foi a maneira como a posição alterada da gota afetou como o crescimento ocorreu na ponta do nanofio.”
Um subproduto interessante da pesquisa foi poder medir a tensão superficial da gota de líquido. A tensão superficial é a pele que mantém as gotas, como as gotas de água no vidro, em suas formas esféricas. Um valor preciso para a tensão superficial é um requisito fundamental para o desenvolvimento de modelos de computador para prever o crescimento dos nanofios.
“Estamos sempre procurando a melhor maneira de cultivar cristais com propriedades particulares. Sabemos o que podemos conseguir mudando a temperatura ou a pressão:nanofios interessantes e úteis, mas sempre crescendo verticalmente. Com o campo elétrico, finalmente temos uma maneira de forçar um fio a crescer lateralmente ou em ângulo, para que possamos formar uma estrutura tridimensional ”, acrescentou Ross.
Aplicativos para nanofios “dançantes”
Dispositivos eletrônicos modernos usam um portfólio cada vez maior de materiais na busca por melhorar o poder de computação e capacidade de dados, e implementar novas funcionalidades. Nanofios angulados ou dobrados podem expandir o repertório de materiais, especialmente se puderem ser fabricados de maneira confiável. Eles podem ser úteis como interconexões, onde um dispositivo precisa de uma conexão elétrica entre diferentes componentes em um circuito. Eles podem permitir novos tipos de sensores IoT ou ser usados como sondas. Por exemplo, uma sonda em forma de V poderia ser inserida em uma célula viva para monitorar os minúsculos sinais elétricos de uma célula. Outros nanofios em formato de letras “T” ou “X” também têm aplicações interessantes. Colocar essas “letras” em um campo magnético e medir o fluxo de corrente aplicando tensões a diferentes pernas pode ajudar a testar as teorias fundamentais da física. Essas teorias são confusas, porque governam o comportamento de excitações especiais em materiais semicondutores. Mas talvez também sejam relevantes na prática:as excitações podem fornecer os meios para armazenar informações em computadores quânticos de uma forma que evite algumas das limitações dos projetos atuais. Nanofios crescidos com gotículas dançantes podem ser o primeiro passo neste caminho.
O microscópio eletrônico de ultra-alto vácuo em 360 graus
