Cientistas observam mobilidade recorde de elétrons em um novo filme de cristal

O material recém-sintetizado poderia ser a base para dispositivos termoelétricos e spintrônicos vestíveis.

Um material com alta mobilidade de elétrons é como uma rodovia sem tráfego. Quaisquer elétrons que fluem para o material vivenciam o sonho de um viajante, passando rapidamente sem obstáculos ou congestionamentos para retardá-los ou dispersá-los de seu caminho.

Quanto maior a mobilidade eletrônica de um material, mais eficiente é sua condutividade elétrica, e menos energia é perdida ou desperdiçada conforme os elétrons passam rapidamente. Materiais avançados que exibem alta mobilidade eletrônica serão essenciais para dispositivos eletrônicos mais eficientes e sustentáveis ​​que podem fazer mais trabalho com menos energia.

Agora, físicos do MIT, do Laboratório de Pesquisa do Exército e de outros lugares atingiram um nível recorde de mobilidade de elétrons em uma fina película de tetradimita ternária — uma classe de mineral encontrada naturalmente em depósitos hidrotermais profundos de ouro e quartzo.

Para este estudo, os cientistas cultivaram filmes puros e ultrafinos do material, de forma a minimizar defeitos em sua estrutura cristalina. Eles descobriram que este filme quase perfeito – muito mais fino que um fio de cabelo humano – exibe a maior mobilidade de elétrons de sua classe.

A equipe conseguiu estimar a mobilidade eletrônica do material detectando oscilações quânticas quando a corrente elétrica passa. Essas oscilações são uma assinatura do comportamento da mecânica quântica dos elétrons em um material. Os pesquisadores detectaram um ritmo particular de oscilações que é característico da alta mobilidade eletrônica – maior do que qualquer filme fino ternário desta classe até o momento.

“Antes, o que as pessoas tinham conseguido em termos de mobilidade de elétrons nesses sistemas era como o tráfego em uma estrada em construção – você está congestionado, não pode dirigir, é empoeirado e é uma bagunça”, diz Jagadeesh Moodera, um cientista pesquisador sênior do Departamento de Física do MIT. “Neste material recém-otimizado, é como dirigir na Mass Pike sem tráfego.”

Os resultados da equipe, que aparecem hoje na revista Materiais Hoje Física, apontam os filmes finos de tetradimita ternária como um material promissor para a eletrônica do futuro, como dispositivos termoelétricos vestíveis que convertem com eficiência o calor residual em eletricidade. (As tetradimitas são os materiais ativos que causam o efeito de resfriamento em resfriadores termoelétricos comerciais.) O material também poderia ser a base para dispositivos spintrônicos, que processam informações usando o spin de um elétron, usando muito menos energia do que os dispositivos convencionais à base de silício.

O estudo também usa oscilações quânticas como uma ferramenta altamente eficaz para medir o desempenho eletrônico de um material.

“Estamos usando essa oscilação como um kit de teste rápido”, diz o autor do estudo Hang Chi, ex-cientista pesquisador do MIT que agora está na Universidade de Ottawa. “Ao estudar esta delicada dança quântica de electrões, os cientistas podem começar a compreender e identificar novos materiais para a próxima geração de tecnologias que irão alimentar o nosso mundo.”

Os coautores de Chi e Moodera incluem Patrick Taylor, ex-funcionário do Laboratório Lincoln do MIT, juntamente com Owen Vail e Harry Hier do Laboratório de Pesquisa do Exército, e Brandi Wooten e Joseph Heremans da Universidade Estadual de Ohio.

Descer

O nome “tetradimita” deriva do grego “tetra” para “quatro” e “dimite”, que significa “gêmeo”. Ambos os termos descrevem a estrutura cristalina do mineral, que consiste em cristais romboédricos que são “geminados” em grupos de quatro – ou seja, possuem estruturas cristalinas idênticas que compartilham um lado.

As tetradimitas compreendem combinações de bismuto, telúrio antimônio, enxofre e selênio. Na década de 1950, os cientistas descobriram que as tetradimitas exibiam propriedades semicondutoras que poderiam ser ideais para aplicações termoelétricas: o mineral em sua forma cristalina era capaz de converter passivamente calor em eletricidade.

Então, na década de 1990, a falecida professora do Instituto Mildred Dresselhaus propôs que as propriedades termoelétricas do mineral poderiam ser significativamente melhoradas, não em sua forma a granel, mas dentro de sua superfície microscópica em escala nanométrica, onde as interações dos elétrons são mais pronunciadas. (Heremans trabalhava no grupo de Dresselhaus na época.)

“Ficou claro que quando você olha para esse material por tempo suficiente e de perto o suficiente, coisas novas acontecem”, diz Chi. “Esse material foi identificado como um isolante topológico, onde os cientistas puderam ver fenômenos muito interessantes em sua superfície. Mas para continuar descobrindo coisas novas, temos que dominar o crescimento do material.”

Para cultivar filmes finos de cristal puro, os pesquisadores empregaram epitaxia de feixe molecular – um método pelo qual um feixe de moléculas é disparado em um substrato, tipicamente em vácuo, e com temperaturas precisamente controladas. Quando as moléculas se depositam no substrato, elas se condensam e se acumulam lentamente, uma camada atômica de cada vez. Ao controlar o tempo e o tipo de moléculas depositadas, os cientistas podem cultivar filmes de cristal ultrafinos em configurações exatas, com poucos defeitos, se houver algum.

“Normalmente, o bismuto e o telúrio podem trocar de posição, o que cria defeitos no cristal”, explica o co-autor Taylor. “O sistema que usamos para cultivar esses filmes veio comigo do Laboratório Lincoln do MIT, onde usamos materiais de alta pureza para minimizar as impurezas a limites indetectáveis. É a ferramenta perfeita para explorar esta pesquisa.”

Fluxo livre

A equipe desenvolveu filmes finos de tetradimita ternária, cada um com cerca de 100 nanômetros de espessura. Eles então testaram as propriedades eletrônicas do filme procurando por oscilações quânticas de Shubnikov-de Haas – um fenômeno que foi descoberto pelos físicos Lev Shubnikov e Wander de Haas, que descobriram que a condutividade elétrica de um material pode oscilar quando exposto a um forte campo magnético em baixas temperaturas. Esse efeito ocorre porque os elétrons do material preenchem níveis de energia específicos que mudam conforme o campo magnético muda.

Tais oscilações quânticas poderiam servir como uma assinatura da estrutura eletrônica de um material, e as maneiras pelas quais os elétrons se comportam e interagem. Mais notavelmente para a equipe do MIT, as oscilações poderiam determinar a mobilidade eletrônica de um material: se as oscilações existem, isso deve significar que a resistência elétrica do material é capaz de mudar, e por inferência, os elétrons podem ser móveis, e feitos para fluir facilmente.

A equipe procurou por sinais de oscilações quânticas em seus novos filmes, primeiro expondo-os a temperaturas ultrafrias e a um forte campo magnético, depois passando uma corrente elétrica pelo filme e medindo a voltagem ao longo de seu caminho, enquanto ajustavam o campo magnético para cima e para baixo.

“Acontece que, para nossa grande alegria e excitação, a resistência elétrica do material oscila”, diz Chi. “Imediatamente, isso diz a você que ele tem mobilidade eletrônica muito alta.”

Especificamente, a equipe estima que a película fina de tetradimita ternária exibe uma mobilidade de elétrons de 10.000 cm²/Vs – a maior mobilidade de qualquer filme de tetradimita ternária já medida. A equipe suspeita que a mobilidade recorde do filme tenha algo a ver com seus baixos defeitos e impurezas, que eles conseguiram minimizar com suas estratégias precisas de crescimento. Quanto menos defeitos um material tem, menos obstáculos um elétron encontra e mais livremente ele pode fluir.

“Isso está mostrando que é possível dar um passo gigante além, ao controlar adequadamente esses sistemas complexos”, diz Moodera. “Isso nos diz que estamos na direção certa e temos o sistema certo para prosseguir, para continuar aperfeiçoando esse material até filmes muito mais finos e acoplamento de proximidade para uso em spintrônica futura e dispositivos termoelétricos vestíveis.”