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Um artigo da UNSW publicado recentemente em Materiais de Revisões da Natureza apresenta uma visão geral empolgante do campo emergente de materiais ferroelétricos 2D com estruturas cristalinas de van-der-Waals em camadas: uma nova classe de materiais de baixa dimensão que é altamente interessante para a futura nanoeletrônica.
As aplicações futuras incluem eletrônica de energia ultrabaixa, armazenamento de dados não volátil de alto desempenho, optoeletrônica de alta resposta e eletrônica flexível (colheita de energia ou vestível).
Estruturalmente diferente dos ferroelétricos de óxido convencionais com treliças rígidas, os ferroelétricos de van der Waals (vdW) têm estruturas em camadas estáveis com uma combinação de forças intracamadas fortes e forças intercamadas fracas.
Esses arranjos atômicos especiais, em combinação com a ordem ferroelétrica, dão origem a fenômenos e funcionalidades fundamentalmente novos não encontrados em materiais convencionais.
“Fundamentalmente novas propriedades são encontradas quando esses materiais são esfoliados em camadas atomicamente finas”, diz o autor Dr. Dawei Zhang. “Por exemplo, a origem da polarização e os mecanismos de comutação para a ordem polar podem ser diferentes dos ferroelétricos convencionais, possibilitando novas funcionalidades do material.”
Um dos aspectos mais intrigantes desses materiais é sua natureza facilmente empilhável devido às fracas ligações intercamadas de van-der-Waals, o que significa que os ferroelétricos vdW são prontamente integráveis com materiais de estrutura cristalina altamente diferentes, como substratos de silício industrial, sem problemas interfaciais.
“Isso os torna altamente atraentes como blocos de construção para a eletrônica pós-lei de Moore”, diz o autor Prof Jan Seidel, também da UNSW.
Do ponto de vista de aplicações e novas funcionalidades, os ferroelétricos vdW apresentam uma ampla gama de oportunidades para a nanoeletrônica devido à sua ferroeletricidade facilmente obtida em nanoescala e interfaces vdW limpas e livres de ligações pendentes que facilitam a integração compatível com CMOS (tecnologia de silício atual).
A nova revisão discute sistemas ferroelétricos vdW experimentalmente verificados e suas características únicas, como potenciais de poço quádruplo, ferroeletricidade metálica e efeitos de travamento de dipolo. Ele também discute a ferroeletricidade vdW projetada em pilhas de materiais de origem não polares criados por centrossimetria de quebra artificial.
Além disso, são apresentadas aplicações de dispositivos inovadores que aproveitam a ferroeletricidade vdW, incluindo transistores eletrônicos capazes de superar os limites termodinâmicos fundamentais, memórias não voláteis e dispositivos optoeletrônicos e flexíveis. O progresso recente e os desafios existentes fornecem uma perspectiva sobre futuras direções e aplicações de pesquisa.
“É um campo relativamente novo, então ainda há muitos desafios que precisam ser resolvidos para realizar todo o potencial tecnológico desses materiais”, diz o autor Dr. Pankaj Sharma. “Por exemplo, precisamos lidar com métodos de integração e crescimento em escala de wafer de grande área, uniformes. Isso permitirá o desenvolvimento de soluções de computação e eletrônica futuristas de baixo consumo de energia.”
Dado o recente surgimento de ferroelétricos vdW, a biblioteca de materiais de tais sistemas está evoluindo rapidamente. Isso deixa espaço para novos desenvolvimentos, como multiferroicidade e funcionalidades acopladas de múltiplas ordens, por exemplo, ferroeletricidade e magnetismo, e a funcionalidade de paredes de domínio nesses materiais.
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