Imagens em nanoescala fornecem insights sobre materiais 2D e de mudança de fase

Pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley, desenvolveram técnicas de ponta em nanoescala de imagens ópticas para fornecer insights sem precedentes sobre a dinâmica de portadores ultrarrápidos em materiais avançados.

Dois estudos, publicados em Materiais avançados e Fotônica ACSmostram um progresso significativo na compreensão dos comportamentos dos portadores em materiais bidimensionais e de mudança de fase, com implicações para dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos de próxima geração.

A equipe de pesquisa, liderada pelo Prof. Costas P. Grigoropoulos, Dr. Jingang Li e o aluno de pós-graduação Rundi Yang, empregou uma nova técnica de nanoscopia transiente de campo próximo para sondar o comportamento de materiais na nanoescala com alta resolução espacial e temporal. Essa abordagem supera as limitações dos métodos ópticos tradicionais, permitindo que os pesquisadores visualizem e analisem diretamente fenômenos que antes eram difíceis de observar.

“Nossa técnica nos permite examinar como portadores de carga e excitons se comportam e interagem na nanoescala em vários materiais”, explica Li. “Isso é crucial para entender e otimizar o desempenho de dispositivos avançados baseados nesses materiais.”

Em um estudo, a equipe se concentrou em dichalcogenetos de metais de transição atomicamente finos (TMDCs), materiais conhecidos por suas propriedades ópticas e eletrônicas únicas. Eles observaram detalhes intrincados sobre processos de recombinação e difusão de excitons em MoS monocamada e bicamada₂revelando dinâmicas distintas perto de interfaces de cristal e em regiões com deformação em nanoescala.

Ampliando suas investigações, os pesquisadores também examinaram o dióxido de vanádio (VO₂), um material celebrado por suas notáveis ​​propriedades de mudança de fase. Usando suas técnicas avançadas de imagem, eles mapearam a distribuição em nanoescala de fases metálicas e isolantes em VO dobrado₂ nanofeixes.

“Conseguimos obter imagens diretas da coexistência de diferentes fases no VO₂ com detalhes sem precedentes”, diz Yang. “Isso nos permite entender como a tensão influencia as propriedades eletrônicas do material em um nível fundamental.”

Surpreendentemente, a equipe observou uma recombinação mais lenta do portador, mas uma difusão mais rápida na fase metálica do VO₂ comparado à sua fase isolante. Essa descoberta fornece novos insights sobre o comportamento do material durante transições de fase, o que pode ser crucial para o desenvolvimento de dispositivos avançados de comutação e memória.

A pesquisa também destacou o impacto das propriedades locais do material, como tensão e interfaces, na dinâmica do exciton e do portador em TMDCs e VO₂. Esse entendimento é vital para dispositivos de engenharia que podem aproveitar esses efeitos em nanoescala para melhorar o desempenho.

O Prof. Grigoropoulos disse: “Essas técnicas abrem novas possibilidades para estudar uma ampla gama de nanomateriais e nanodispositivos. Estamos animados com as potenciais aplicações em campos que vão da coleta de energia ao processamento de informações quânticas.”

As descobertas combinadas desses estudos demonstram o poder das técnicas avançadas de imagem em nanoescala em desvendar a física complexa dos nanomateriais. À medida que os pesquisadores continuam a refinar esses métodos, podemos esperar mais avanços em nossa compreensão de materiais em escala atômica, abrindo caminho para tecnologias inovadoras que aproveitam as propriedades únicas dos nanomateriais.

Essas descobertas têm implicações significativas para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos de próxima geração, incluindo sensores de alto desempenho, dispositivos de memória e componentes ópticos adaptativos.

A capacidade de sondar e manipular propriedades de materiais em escalas tão finas promete acelerar o desenvolvimento de tecnologias mais eficientes e capazes em um amplo espectro de aplicações.