Nova técnica mostra-se promissora para a fabricação em massa de um material exótico quase-1D

Pesquisadores fabricaram uma película fina de telureto de zircônio van der Waals quase unidimensional, que é uma forma de substância que há muito tempo promete avanços em computação quântica, nanoeletrônica e outras tecnologias avançadas. Até agora, ela tem confundido cientistas que tentaram fabricá-la em grandes quantidades.

Um artigo descrevendo uma nova técnica de fabricação foi publicado no Revista de Ciência e Tecnologia de Materiais em 8 de junho de 2024.

Materiais de van der Waals quase unidimensionais (quase 1D) se tornaram um tópico importante na pesquisa em ciência de materiais nos últimos anos devido aos efeitos quânticos de sua estrutura única que produzem propriedades elétricas, ópticas e mecânicas incomuns.

Elas são chamadas de substâncias “quase” 1D porque, enquanto as moléculas em materiais 1D verdadeiros são cadeias ligadas por ligações químicas covalentes, em materiais quase 1D, forças intermoleculares extremamente fracas — conhecidas como forças de van der Waals — entre essas cadeias 1D também as organizam em folhas 2D. Isso combina as vantagens da capacidade das substâncias 1D de amplificar efeitos quânticos com as vantagens dos materiais de folhas 2D empilháveis.

Como resultado dessa combinação dupla, materiais quase 1D são amplamente vistos como essenciais para o desenvolvimento da próxima geração de nanoeletrônica, computação quântica, spintrônica e outras tecnologias de ponta.

Pentatelureto de zircônio (ZrTe₅) atraiu recentemente a atenção como material devido às suas propriedades como um semimetal de Dirac e Weyl — onde os elétrons se comportam como se tivessem massa zero e, portanto, desfrutam de propriedades ópticas e magnéticas ainda mais exóticas.

“Infelizmente, até agora, devido à dificuldade de fabricação em larga escala de ZrTe₅ filmes, essa substância maravilhosa continua sendo uma novidade de laboratório”, explica Yi Shuang, do Instituto Avançado de Pesquisa de Materiais do WPI (WPI-AIMR) da Universidade de Tohoku.

Pesquisadores recorreram a um método alternativo para fabricação de película fina: deposição física de vapor (PVD). Especificamente, eles empregaram “sputtering” de PVD.

Neste contexto, sputtering não significa os sons explosivos de um motor morrendo. Em vez disso, sputtering se refere ao bombardeio de uma substância alvo por átomos ou íons, resultando em uma ejeção de material daquele alvo para outra substância ou “substrato”. Sputtering PVD é bem estabelecido como um processo de fabricação na indústria de semicondutores.

Os pesquisadores usaram um magnetron RF — um dispositivo que usa energia de radiofrequência para produzir o efeito de pulverização catódica — em alvos de zircônio e telúrio ao mesmo tempo. Crescimento em larga escala de ZrTe quasi-1D₅ foi alcançado.

Imediatamente após a deposição do ZrTe₅ no substrato, os filmes estavam inicialmente em um estado amorfo. No entanto, após o tratamento térmico em uma atmosfera de argônio, ocorre a cristalização, levando a uma mudança dramática nas propriedades do material. Essa transição é crucial para obter as características específicas necessárias para o ZrTe quasi-1D desejado₅ aplicações.

Uma análise detalhada dessa transformação de estrutura amorfa para cristalina revelou por que isso acontece. Ao fazer isso, a equipe de pesquisa avançou a compreensão fundamental da transição de fase amorfa para cristalina em materiais quasi-1D em geral, não apenas de ZrTe₅.

A equipe agora pretende refinar essa análise do processo de cristalização usando outras técnicas avançadas, bem como testar o desempenho do material em aplicações do mundo real.