.
Camadas empilhadas de materiais semicondutores ultrafinos apresentam fenômenos que podem ser explorados para novas aplicações. Uma equipe liderada pelo físico da LMU, Alexander Högele, estudou os efeitos que surgem ao dar uma leve torção em duas camadas.
Novos nanomateriais ultrafinos exibem propriedades notáveis. Se você empilhar camadas individuais de cristais atomicamente finos em uma montagem vertical, por exemplo, podem ocorrer efeitos físicos fascinantes. Por exemplo, bicamadas do maravilhoso material grafeno torcido pelo ângulo mágico de 1,1 graus podem exibir supercondutividade. E os pesquisadores também estão concentrando sua atenção em heteroestruturas semicondutoras de bicamada feitas dos chamados dicalcogenetos de metais de transição, que são mantidos juntos fracamente pelas forças de van der Waals.
O grupo de pesquisa liderado por Alexander Högele investiga essas novas heteroestruturas, que não ocorrem na natureza. “A combinação de materiais, o número de camadas e sua orientação relativa dão origem a uma ampla variedade de novos fenômenos”, diz o físico do LMU. “No laboratório, podemos adaptar fenômenos físicos para várias aplicações em eletrônica, fotônica ou tecnologia quântica com propriedades que são desconhecidas em cristais naturais.” Fenômenos observados experimentalmente nem sempre são fáceis de interpretar, no entanto, como um novo artigo publicado na revista Natureza Nanotecnologia demonstra.
A equipe de Högele investigou um sistema de heterobicamadas mantido unido pelas forças de van der Waals e fabricado a partir de monocamadas semicondutoras de disseleneto de molibdênio (MoSe2) e disseleneto de tungstênio (WSe2). Dependendo da orientação das camadas individuais, podem surgir efeitos moiré. Esses efeitos, com os quais estamos familiarizados na vida cotidiana, também surgem no mundo nano quando duas redes atômicas diferentes são empilhadas uma sobre a outra, ou duas redes idênticas são torcidas uma em relação à outra. A diferença no caso nano é que não é um efeito ótico. No mundo da mecânica quântica de heteroestruturas de cristal atomicamente finas, a interferência moiré afeta dramaticamente as propriedades do sistema composto, também impactando elétrons e pares elétron-buraco fortemente ligados, ou excitons, explica Högele.
“Nosso trabalho mostra que a noção ingênua de um padrão moiré perfeito na heterobicamada MoSe2-WSe2 não é necessariamente verdadeira, principalmente para pequenos ângulos de rotação. Portanto, a interpretação da fenomenologia observada até agora terá que ser parcialmente revisada”, diz Högele. Em vez de padrões moiré periódicos, existem áreas estendidas lateralmente livres de interferências moiré. Além disso, existem zonas com efeitos mecânicos quânticos interessantes, como fios quânticos unidimensionais ou pontos quânticos quase zero dimensionais, que são potencialmente viáveis para aplicações em comunicação quântica baseadas em excitons espacialmente localizados com características de emissão de fóton único. No último caso, os padrões moiré ideais presumivelmente se transformam em padrões periódicos com ladrilhos triangulares ou hexagonais.
A razão parece estar em uma deformação elástica da estrutura treliçada que depende da orientação das camadas. Os átomos são deslocados para fora de suas posições de equilíbrio, o que ocorre às custas do aumento da tensão em camadas individuais, mas promove uma melhor adesão entre as camadas. O resultado é uma paisagem de energia no sistema de heterobicamada que pode ser projetada e potencialmente explorada por meio de design racional. “Também observamos fenômenos coletivos em cristais sintéticos, onde os padrões periódicos de moiré têm um efeito dramático no movimento dos elétrons, bem como em suas interações mútuas”, diz Högele.
De importância decisiva é a compreensão dos excitons -pares elétron-buraco – que são característicos dos distintos tipos de registros atômicos em heteroestruturas cristalinas de bicamadas e que poderiam ser potencialmente utilizados em futuras aplicações opto-eletrônicas. Esses éxcitons são gerados em dicalcogenetos de metais de transição semicondutores por meio de absorção de luz e convertem novamente em luz. “Os excitons atuam como mediadores da interação luz-matéria em cristais semicondutores”, diz Högele. Como mostra o artigo atual, diferentes tipos de excitons surgem dependendo da estrutura real dos sistemas de heterobicamadas em alinhamento paralelo ou antiparalelo. “Queremos aprender como fabricar heteroestruturas de van der Waals com propriedades personalizadas em uma abordagem determinística para controlar a rica fenomenologia emergente de efeitos correlacionados, como magnetismo ou supercondutividade.”
.
