Laboratório Nacional
de Luz Síncrotron

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Ciência

Materiais para a eletrônica do futuro

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Pesquisa investiga a formação de diferentes fases de molécula a base de bismuto em isolantes topológicos


O desenvolvimento de dispositivos eletrônicos mais rápidos e eficientes passa pelo entendimento de propriedades exóticas da matéria na nanoescala. Uma das classes de materiais que apresentam características de interesse para a indústria eletrônica são os chamados isolantes topológicos.

Isolantes topológicos são materiais com poucos átomos de espessura que se comportam como isolante nas camadas de átomos em seu interior, mas como condutor nas camadas atômicas mais superficiais. A condutividade elétrica dessas camadas superficiais é notavelmente resistente à desordem atômica causada pela presença de impurezas, o que não acontece em outros materiais.

Outra característica importante nesses materiais é que o momento magnético de spin dos elétrons superficiais é travado na direção perpendicular à propagação da corrente elétrica, sendo chamados de “topologicamente protegidos”. O spin dos elétrons já é uma propriedade explorada para o armazenamento de dados nos discos rígidos magnéticos em computadores. A propriedade especial dos isolantes topológicos pode abrir a porta também para o uso do spin dos elétrons no processamento de informação, e em futuros dispositivos, como os transistores para computação quântica.

Entre os isolantes topológicos, $\rm Bi_2 Te_3$ e $\rm Bi_2 Se_3$ são especialmente promissores para uso em nanodispositivos pela possibilidade de formação de camadas duplas de bismuto ($\rm Bi_2$) que, além de serem condutoras, apresentam também o chamado efeito Hall quântico com spin. No entanto, a localização dessas camadas de bismuto na estrutura tridimensional do material durante o processo de produção do isolante topológico ainda é um problema em aberto.

Por isso, Pedro Henrique R. Gonçalves e colaboradores [1] investigaram a formação de diferentes fases de forma química $\rm Bi_x Se_y$ durante o aquecimento controlado de um sistema composto por $\rm Bi_2 Se_3$. A sublimação de parte do selênio durante o processo de aquecimento permite que novas moléculas se formem no material. Além disso, a coexistência de diferentes fases juntamente com $\rm Bi_2 Se_3$ pode levar a propriedades eletrônicas distintas.

Com o aumento da temperatura, a diminuição de $\rm Bi_2 Se_3 $ é prontamente observado, com formação das fases $\rm Bi_4 Se_5 $ e $\rm Bi Se$. Isso indica a sublimação do selênio e criação de bicamadas de $\rm Bi_2$ dentro do cristal.

Entre as análises realizadas pelos pesquisadores, medidas de difração de raios X foram feitas nas instalações da linha de luz XRD2 do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) para acompanhar pequeníssimas mudanças na composição do material durante os tratamentos térmicos. Os pesquisadores observaram evolução de fases adicionais que levam à formação de bicamadas de bismuto tanto na superfície do sistema quanto intercaladas com camadas quíntuplas de $\rm Bi_2 Se_3$.

Essa formação de novas fases mostra que um eventual dispositivo baseado em $\rm Bi_2 Se_3$ deve ser utilizado em uma faixa específica de corrente e tensão elétricas para que o aquecimento local não altere sua composição química e, consequentemente, prejudique seu funcionamento.

Por outro lado, os resultados mostram que, com a compreensão sobre quais temperaturas e quais tempos de aquecimento controlado levam o sistema a novas configurações que podem ser de interesse, é possível realizar tratamentos térmicos em um material para a produção controlada de diferentes fases químicas adequadas para o dispositivo final. No entanto, segundo os pesquisadores, essa diversidade de configurações ainda precisa ser dominada para que futuros dispositivos baseados nesses materiais possam ser concebidos.

Fonte: [1] P. H. R. Gonçalves, Thais Chagas, V. B. Nascimento, D. D. dos Reis, Carolina Parra, M. S. C. Mazzoni, Ângelo Malachias, and Rogério Magalhães-Paniago. Formation of BixSey Phases Upon Annealing of the Topological Insulator Bi2Se3: Stabilization of In-Depth Bismuth Bilayers, The Journal of Physical Chemistry Letters 2018 9 (5), 954-960. DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b03172