High-magnitude, spatially and directionally programmable, and sustained strain engineering of 2D semiconductors

Imagine um mundo onde os materiais que alimentam nossos eletrônicos não são blocos espessos de silício, mas folhas tão finas que possuem apenas uma camada de átomos. Esses materiais ultra-finos, conhecidos como semicondutores bidimensionais, são incrivelmente fortes e flexíveis, capazes de se esticar sem quebrar. Cientistas sabem há muito tempo que, se você esticar tal material, pode alterar a forma como ele conduz eletricidade e como interage com a luz. Isso é semelhante a como esticar um elástico muda sua forma, mas nestas folhas atômicas, o estiramento na verdade reescreve as regras da energia interna do material. Se os engenheiros pudessem controlar esse estiramento com precisão, poderiam construir computadores mais rápidos e células solares mais eficientes. No entanto, até agora, os métodos usados para esticar esses materiais eram desajeitados. Eles podiam ou esticar o material uma quantidade mínima, ou podiam esticá-lo muito, mas apenas por alguns segundos antes que ele voltasse à forma original ou perdesse sua forma. Não havia maneira de manter um estiramento forte no lugar enquanto também se decidia exatamente onde esticar e em qual direção.

Uma equipe de pesquisadores resolveu este problema criando uma nova maneira de manter essas folhas atômicas em um estado esticado por meses a fio, com controle total sobre o estiramento. Eles conseguiram isso imprimindo paisagens microscópicas sobre uma superfície e depois cobrindo as folhas atômicas sobre elas, como um lençol sobre um colchão. Os pesquisadores usaram uma técnica de impressão especial que pode criar vales tridimensionais minúsculos com formas precisas. Eles pegaram uma única camada de um material chamado dissulfeto de molibdênio, que é um semicondutor comum, e transferiram cuidadosamente para essas superfícies impressas. Como o material é tão fino e flexível, ele se acomodou perfeitamente nos vales, esticando-se para se ajustar aos contornos. Ao mudar a profundidade e a largura desses vales, a equipe pôde controlar exatamente o quanto o material se esticava. Em algumas áreas, o material esticou cerca de 2,2 por cento, o que é uma quantidade significativa para um material tão fino, e esse estiramento permaneceu estável por mais de oito meses.

O poder deste método reside em sua precisão. Os pesquisadores não apenas esticaram toda a folha uniformemente; eles criaram uma paisagem onde a quantidade de estiramento mudava gradualmente de um ponto para o outro. Eles mapearam isso e descobriram que o estiramento mudava cerca de 0,1 por cento para cada micrômetro de distância através do material. Isso significa que eles podiam criar um gradiente suave de deformação, permitindo que diferentes partes da mesma folha minúscula se comportassem de maneiras diferentes. Nas áreas onde o material estava mais esticado, os pesquisadores mediram uma mudança no seu hiato de energia, o limiar necessário para a eletricidade fluir. Eles descobriram que o hiato de energia deslocou cerca de 0,4 elétron-volt, o que é um quarto da faixa de energia natural do material. Isso confirma que, simplesmente mudando a forma da superfície abaixo, eles puderam ajustar as propriedades eletrônicas do material localmente.

Além de apenas esticar o material em todas as direções ao mesmo tempo, a equipe também mostrou que poderia esticá-lo em apenas uma direção. Ao imprimir sulcos longos, semelhantes a trincheiras, em vez de vales arredondados, eles forçaram o material a esticar mais ao longo do comprimento da trincheira do que através dela. Isso é importante porque esticar em uma direção altera as propriedades do material de forma diferente do que esticar em todas as direções. Eles demonstraram que podiam colocar um vale arredondado e uma trincheira longa lado a lado na mesma peça de material, criando dois ambientes de estiramento diferentes lado a lado. No vale arredondado, o material esticava uniformemente em todas as direções, enquanto na trincheira, ele esticava principalmente em uma direção. Essa capacidade de programar tanto a quantidade quanto a direção do estiramento dentro de uma única folha abre novas possibilidades para o design de circuitos eletrônicos complexos em escala microscópica.

Os pesquisadores também testaram este método em uma pilha de duas folhas atômicas diferentes, uma combinação de dissulfeto de molibdênio e dissulfeto de tungstênio. Eles descobriram que a camada inferior, que tocava diretamente a superfície impressa, esticava mais do que a camada superior. Isso aconteceu porque as duas camadas podiam deslizar ligeiramente uma contra a outra, um fenômeno conhecido como deslizamento interlaminar. Esta observação é crucial porque mostra que o método funciona mesmo com pilhas complexas de materiais, que são frequentemente usadas para construir dispositivos avançados. A equipe verificou seus resultados usando diversas ferramentas diferentes. Eles usaram um laser para medir as vibrações dos átomos para confirmar o estiramento, e usaram uma pequena sonda elétrica para medir como o material conduzia eletricidade. Eles também usaram simulações de computador para prever como o material se comportaria, e suas medições do mundo real corresponderam de perto às previsões.

Um dos aspectos mais significativos deste trabalho é a estabilidade dos resultados. Muitas tentativas anteriores de esticar esses materiais dependiam de forças temporárias que desapareciam rapidamente. Neste estudo, os pesquisadores verificaram suas amostras novamente após quatro meses e depois novamente após oito meses. O estiramento permaneceu exatamente o mesmo, sem qualquer sinal de que o material estivesse relaxando ou perdendo sua forma. Esta estabilidade de longo prazo sugere que o método pode ser usado para construir dispositivos reais que precisam funcionar de forma confiável ao longo do tempo. Os materiais usados para imprimir as paisagens microscópicas eram transparentes, o que permitiu aos pesquisadores olhar através deles e medir as folhas atômicas sem qualquer interferência. Embora o material de impressão atual seja um tipo de polímero, os pesquisadores observaram que técnicas semelhantes poderiam ser usadas com materiais que se transformam em vidro, o que tornaria a abordagem ainda mais adequada para futuros dispositivos eletrônicos.

Este trabalho representa uma mudança de simplesmente observar como esses materiais se comportam para projetar ativamente seu comportamento. Ao tratar a superfície abaixo do material como uma ferramenta programável, os pesquisadores criaram uma maneira de projetar as propriedades eletrônicas e ópticas dessas folhas com alta precisão. Eles mostraram que é possível criar estiramentos fortes e duradouros que podem ser adaptados a necessidades específicas, seja esticando um material uniformemente, esticando-o em uma direção ou criando um gradiente suave de estiramento através de uma superfície. Este nível de controle pode levar ao desenvolvimento de novos tipos de sensores, células solares e chips de computador que sejam mais leves, mais eficientes e capazes de realizar tarefas que são atualmente impossíveis com materiais tradicionais. A capacidade de manter essas folhas em um estado esticado por meses sem que elas voltem à forma original significa que essas propriedades projetadas não são apenas um experimento passageiro, mas uma característica durável que pode ser construída na próxima geração de tecnologia.