.
Uma equipe de cientistas e engenheiros liderada pela Universidade de Minnesota Twin Cities desenvolveu um novo método para fazer filmes finos de semicondutores de óxido de perovskita, uma classe de materiais “inteligentes” com propriedades únicas que podem mudar em resposta a estímulos como luz, campos magnéticos, ou campos elétricos.
A descoberta permitirá aos pesquisadores aproveitar essas propriedades e até combiná-las com outros materiais emergentes em nanoescala para criar dispositivos melhores, como sensores, têxteis inteligentes e eletrônicos flexíveis.
O jornal é publicado em Avanços da Ciência.
A produção de materiais em forma de filme fino os torna mais fáceis de integrar em componentes menores para dispositivos eletrônicos. Muitos filmes finos são feitos usando uma técnica chamada epitaxia, que consiste em colocar átomos de um material em um substrato, ou uma espécie de modelo, para criar uma folha fina de material, uma camada atômica por vez. No entanto, a maioria dos filmes finos criados por epitaxia ficam “presos” em seu substrato hospedeiro, limitando seus usos. Se o filme fino for separado do substrato para se tornar uma membrana independente, ele se tornará muito mais funcional.
A equipe liderada pela Universidade de Minnesota encontrou uma nova maneira de criar com sucesso uma membrana de um óxido de metal específico – titanato de estrôncio – e seu método contorna vários problemas que atormentaram a síntese de filmes de óxido de metal independentes no passado.
“Criamos um processo em que podemos fazer uma membrana independente de praticamente qualquer material óxido, esfoliá-la e depois transferi-la para qualquer assunto de interesse que quisermos”, disse Bharat Jalan, autor sênior do artigo e professor da Shell Presidente do Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Universidade de Minnesota. “Agora, podemos nos beneficiar da funcionalidade desses materiais combinando-os com outros materiais em nanoescala, o que permitiria uma ampla gama de dispositivos altamente funcionais e altamente eficientes”.
Fazer membranas independentes de materiais de óxido “inteligentes” é um desafio porque os átomos estão ligados em todas as três dimensões, ao contrário de um material bidimensional, como o grafeno. Um método de fazer membranas em materiais óxidos é usar uma técnica chamada epitaxia remota, que usa uma camada de grafeno como intermediária entre o substrato e o material de película fina.
Essa abordagem permite que o material de óxido de filme fino forme um filme fino e seja removido, como um pedaço de fita, do substrato, criando uma membrana independente. No entanto, a maior barreira para usar esse método com óxidos metálicos é que o oxigênio no material oxida o grafeno em contato, arruinando a amostra.
Usando a epitaxia de feixe molecular híbrido, uma técnica pioneira do laboratório de Jalan na Universidade de Minnesota, os pesquisadores conseguiram contornar esse problema usando titânio que já estava ligado ao oxigênio. Além disso, seu método permite o controle estequiométrico automático, o que significa que eles podem controlar automaticamente a composição.
“Mostramos pela primeira vez, e de forma conclusiva por meio de vários experimentos, que temos um novo método que nos permite produzir óxidos complexos, garantindo que o grafeno não seja oxidado. Esse é um marco importante na ciência da síntese”, disse Jalan. “E agora temos uma maneira de fazer essas membranas de óxido complexas com um controle estequiométrico automático. Ninguém foi capaz de fazer isso.”
Os cientistas de materiais da equipe de Jalan trabalharam em estreita colaboração com pesquisadores de engenharia no laboratório do professor Steven Koester, do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Minnesota, que se concentra na fabricação de materiais 2D.
“Esses óxidos complexos são uma ampla classe de materiais que têm muitas funções inatas realmente importantes para eles”, disse Koester, também autor sênior do estudo e diretor do Minnesota Nano Center na Universidade de Minnesota Twin Cities. “Agora, podemos pensar em usá-los para fazer transistores extremamente pequenos para dispositivos eletrônicos e em uma ampla gama de outras aplicações, incluindo sensores flexíveis, têxteis inteligentes e memórias não voláteis”.
A pesquisa foi financiada pelo Departamento de Energia dos EUA, pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e pela National Science Foundation.
Além de Jalan e Koester, a equipe de pesquisa incluiu os pesquisadores do Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Universidade de Minnesota, Hyojin Yoon, Tristan Truttmann, Fengdeng Liu e Sooho Choo; Qun Su, pesquisador do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Minnesota; Os pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory, Bethany Matthews, Mark Bowden, Steven Spurgeon e Scott Chambers; e os pesquisadores da Universidade de Wisconsin-Madison Vivek Saraswat, Sebastian Manzo, Michael Arnold e Jason Kawasaki.
.
