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Cientistas da UC Irvine introduziram um método inovador para produzir cristais de bismuto com espessura nanométrica, melhorando a fabricação eletrônica flexível e descobrindo novas propriedades eletrônicas críticas para tecnologias quânticas. Crédito: SciTechDaily.com
Pesquisadores da UC Irvine desenvolveram um material de bismuto ultrafino projetado para uso em tecnologias flexíveis.
Num estudo publicado em Materiais da Naturezacientistas da Universidade da Califórnia, em Irvine, descrevem um novo método para produzir cristais muito finos do elemento bismuto – um processo que pode ajudar a tornar a fabricação de eletrônicos flexíveis e baratos uma realidade cotidiana.
“O bismuto fascina os cientistas há mais de cem anos devido ao seu baixo ponto de fusão e propriedades eletrônicas únicas”, disse Javier Sanchez-Yamagishi, professor assistente de física e astronomia na UC Irvine e coautor do estudo. “Desenvolvemos um novo método para fazer cristais muito finos de materiais como o bismuto e, no processo, revelar comportamentos eletrônicos ocultos das superfícies do metal.”
As folhas de bismuto que a equipe fez têm apenas alguns nanômetros de espessura. Sanchez-Yamagishi explicou como os teóricos previram que o bismuto contém estados eletrônicos especiais que permitem que ele se torne magnético quando a eletricidade flui através dele – algo essencial para dispositivos eletrônicos quânticos baseados no spin magnético dos elétrons.
Um dos comportamentos ocultos observados pela equipe são as chamadas oscilações quânticas originadas nas superfícies dos cristais. “As oscilações quânticas surgem do movimento de um elétron em um campo magnético”, disse Laisi Chen, Ph.D. candidato em física e astronomia na UC Irvine e um dos principais autores do artigo. “Se o elétron puder completar uma órbita completa em torno de um campo magnético, ele poderá exibir efeitos que são importantes para o desempenho da eletrônica. As oscilações quânticas foram descobertas pela primeira vez no bismuto na década de 1930, mas nunca foram vistas em cristais de bismuto com espessura nanométrica.”
Espremer o bismuto entre placas de moldagem atomicamente lisas feitas de um material chamado nitreto de boro hexagonal resulta em cristais extremamente finos e planos com propriedades eletrônicas quânticas únicas. Crédito: Eli Krantz / Krantz NanoArt
Técnicas de fabricação inovadoras
Amy Wu, Ph.D. candidato em física no laboratório de Sanchez-Yamagishi, comparou o novo método da equipe a uma prensa de tortilha. Para fazer as folhas ultrafinas de bismuto, explicou Wu, eles tiveram que espremer o bismuto entre duas placas quentes. Para tornar as folhas tão planas como são, eles tiveram que usar placas de moldagem perfeitamente lisas em nível atômico, o que significa que não há reentrâncias microscópicas ou outras imperfeições na superfície. “Fizemos então uma espécie de quesadilla ou panini onde o bismuto é o recheio de queijo e as tortilhas são as superfícies atomicamente planas”, disse Wu.
“Houve um momento de nervosismo em que passamos mais de um ano produzindo esses lindos cristais finos, mas não tínhamos ideia se suas propriedades elétricas seriam algo extraordinário”, disse Sanchez-Yamagishi. “Mas quando resfriamos o dispositivo em nosso laboratório, ficamos surpresos ao observar oscilações quânticas, que não haviam sido vistas anteriormente em filmes finos de bismuto.”
“A compressão é uma técnica de fabricação muito comum usada para fazer materiais domésticos comuns, como folha de alumínio, mas não é comumente usada para fazer materiais eletrônicos como os de seus computadores”, acrescentou Sanchez-Yamagishi. “Acreditamos que nosso método será generalizado para outros materiais, como estanho, selênio, telúrio e ligas relacionadas com baixos pontos de fusão, e pode ser interessante explorar futuros circuitos eletrônicos flexíveis.”
Em seguida, a equipe quer explorar outras maneiras pelas quais os métodos de compressão e moldagem por injeção podem ser usados para fabricar os próximos chips de computador para telefones ou tablets.
“Nossos novos membros da equipe trazem ideias interessantes para este projeto e estamos trabalhando em novas técnicas para obter maior controle sobre a forma e a espessura dos cristais de bismuto cultivados”, disse Chen. “Isso simplificará a forma como fabricamos dispositivos e dará um passo mais perto da produção em massa.”
Referência: “Transporte eletrônico excepcional e oscilações quânticas em cristais finos de bismuto cultivados dentro de materiais van der Waals” por Laisi Chen, Amy X. Wu, Naol Tulu, Joshua Wang, Adrian Juanson, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Michael T. Pettes, Marshall A. Campbell, Mingjie Xu, Chaitanya A. Gadre, Yinong Zhou, Hangman Chen, Penghui Cao, Luis A. Jauregui, Ruqian Wu, Xiaoqing Pan e Javier D. Sanchez-Yamagishi, 13 de maio de 2024, Materiais da Natureza.
DOI: 10.1038/s41563-024-01894-0
A equipe de pesquisa incluiu colaboradores da UC Irvine, do Laboratório Nacional de Los Alamos e do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão. A pesquisa foi financiada principalmente pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, com apoio parcial vindo do Programa de Sementes do Centro de Materiais Complexos e Ativos da UC Irvine, um Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais da National Science Foundation.