Artigo em destaque: Controlando as propriedades eletrônicas de grafeno sobre carbeto de silício.


O artigo científico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Graphene on the oxidized SiC surface and the impact of the metal intercalation. J.E.Padilha, R.B.Pontes, F. Crasto de Lima, R. Kagimura, R. H. Miwa. Carbon, Volume 145, April 2019, Pages 603-613.

Controlando as propriedades eletrônicas de grafeno sobre carbeto de silício

Um estudo baseado em simulações realizadas em supercomputadores por uma equipe científica brasileira aponta um caminho para superar o desafio de controlar as propriedades eletrônicas do grafeno. Soluções a esse desafio podem fazer a diferença no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos bidimensionais – dimensão na qual o grafeno, rede de átomos de carbono de um átomo de espessura, se destaca pelas suas propriedades.

De fato, o grafeno é um material extremamente resistente, leve, flexível e transparente. Além disso, ele é um excelente condutor do calor e da eletricidade. Contudo, ainda é difícil controlar no grafeno a concentração e o fluxo de cargas elétricas, o que limita seu uso na eletrônica.

Soluções para driblar essa limitação tecnológica do grafeno vêm sendo propostas. Algumas delas se baseiam na inserção de pequenas proporções de átomos metálicos que modulam as propriedades eletrônicas do material sem prejudicar as outras características. O método é semelhante à dopagem do silício, cotidianamente praticada na fabricação de semicondutores para a indústria eletrônica.

Representação do sistema estudado: folha de grafeno sobre substrato de carbeto de silício oxidado com camada de átomos metálicos (no caso, ouro) intercalados.
Representação do sistema estudado: folha de grafeno sobre substrato de carbeto de silício oxidado com camada de átomos metálicos (no caso, ouro) intercalados.

Recentemente reportado no periódico científico Carbon (fator de impacto 7,466), o trabalho da equipe brasileira investigou a estrutura e as propriedades eletrônicas de uma folha de grafeno sobre um substrato de carbeto de silício (SiC) – material frequentemente usado para depositar ou fazer crescer grafeno. Nesse sistema, o grafeno se mantém unido ao substrato sem ligações químicas, por meio de forças de atração fracas e dependentes da distância, chamadas de forças de Van der Waals.

Dado que, na produção de grafeno, a presença de oxigênio costuma oxidar a superfície do carbeto de silício, os cientistas brasileiros incluíram nas simulações uma camada de óxido de silício entre o grafeno e o substrato. Finalmente, com o objetivo de compreender detalhadamente o efeito da inserção de átomos metálicos em materiais desse tipo, os cientistas acrescentaram ao sistema, nas simulações, uma camada de átomos de ouro ou alumínio, embutida na camada de óxido (no caso, Si2O5), na região da interface com o grafeno.

Por meio das simulações, os pesquisadores constataram que a presença da camada metálica modula a concentração dos portadores de cargas positivas (os chamados buracos) e negativas (os elétrons), tanto na folha de grafeno quanto no Si2O5. Além disso, os átomos de ouro e alumínio embutidos no Si2O5, que é semicondutor, induzem a formação de regiões condutoras na superfície dessa camada, nas quais se concentra o excesso de elétrons ou de buracos induzido pela presença do ouro ou do alumínio, respectivamente. Como resultado, formam-se, na superfície do Si2O5, canais condutores pelos quais fluem as cargas.

Esta série de mapas bidimensionais mostra as concentrações de elétrons e buracos na folha de grafeno nos dois sistemas de grafeno sobre a superfície de carbeto de silício terminado em Si [(a) e (c)] e terminado em C [(b) e (d)]; na presença de uma monocamada de alumínio [(a) e (b)] e o outro contendo uma camada de ouro [(c) e (d)].
Esta série de mapas bidimensionais mostra as concentrações de elétrons e buracos na folha de grafeno nos dois sistemas de grafeno sobre a superfície de carbeto de silício terminado em Si [(a) e (c)] e terminado em C [(b) e (d)]; na presença de uma monocamada de alumínio [(a) e (b)] e o outro contendo uma camada de ouro [(c) e (d)].
Finalmente, a equipe comprovou que o efeito da “dopagem” (a mudança na concentração de elétrons e buracos) pode ser potencializado mediante a aplicação de um campo elétrico externo, perpendicular à interface entre o grafeno e o substrato.

A partir dessas evidências, que foram obtidas, principalmente, por meio de simulações computacionais baseadas na Teoria do Funcional da Densidade, o trabalho sugere um caminho para controlar a concentração e o fluxo de cargas elétricas em folhas de grafeno sobre substratos de carbeto de silício. O estudo também mostra que o sistema estudado (folha de grafeno sobre carbeto de silício oxidado com camada metálica intercalada) pode ser uma boa plataforma para fazer engenharia de propriedades eletrônicas.

“A principal contribuição do trabalho é mostrar uma forma eficiente de controlar as propriedades eletrônicas do grafeno sobre uma superfície sólida recoberta com uma camada metálica, mediante a aplicação de um campo elétrico externo”, diz o professor Roberto Hiroki Miwa (Universidade Federal de Uberlândia, UFU), autor correspondente do artigo da Carbon. “Mostramos que, além de controlar o nível de dopagem do grafeno, o que é fundamental para desenvolvimento de dispositivos eletrônicos em sistemas bidimensionais (2D), a presença da monocamada metálica permite a formação de canais condutores na superfície do carbeto de silício”, completa. De acordo com Miwa, o estudo pode contribuir para o desenvolvimento de sensores, transistores e outros dispositivos eletrônicos mais rápidos e precisos quanto ao transporte de carga e a emissão de sinais.

O início do trabalho foi motivado pelo interesse dos professores da UFU Roberto Hiroki Miwa e Ricardo Kagimura em entender as interfaces grafeno/óxidos no nível atômico. O foco do estudo foi amadurecendo conforme os autores se aprofundavam na literatura científica. À medida que o volume e complexidade dos cálculos foram aumentando, a dupla envolveu novos colaboradores: um estudante do doutorado em Física da UFU (Felipe David Crasto de Lima) e professores de outras instituições (José Eduardo Padilha de Sousa, da Universidade Federal do Paraná – campus Jandaia do Sul, e Renato Borges Pontes, da Universidade Federal de Goiás).

Os autores do artigo. A partir da esquerda: J. E. Padilha, R. B. Pontes, F. Crasto de Lima, R. Kagimura, R. H. Miwa.
Os autores do artigo. A partir da esquerda: J. E. Padilha, R. B. Pontes, F. Crasto de Lima, R. Kagimura, R. H. Miwa.

Para realizar os cálculos que embasam as simulações, os autores utilizaram recursos computacionais do Centro Nacional de Processamento de Alto Desempenho em São Paulo (CENAPD) e do supercomputador SDumont do Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC). O trabalho contou com financiamento das agências federais CNPq e CAPES e da estadual FAPEMIG (Minas Gerais).

Artigo em destaque: Virtudes de um metal ruim.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Electronic localization and bad-metallicity in pure and electron-doped troilite: A local-density-approximation plus dynamical-mean-field-theory study of FeS for lithium-ion batteries. Craco, L; Faria, JLB. J. Appl. Phys. 119, 085107 (2016); http://dx.doi.org/10.1063/1.4942843

Virtudes de um metal ruim

Imagem computacional da estrutura cristalina da troilite (FeS) com inserção de íons de lítio. A produção da imagem, que foi elaborada pelo professor Jorge Faria para ilustrar esta matéria, começou com a modelagem da troilite pura. Posteriormente foram feitas análises numéricas por meio de aproximação de densidade local (LDA) utilizando métodos baseados na teoria da densidade funcional (DFT) para obter os parâmetros de rede com diferentes concentrações de lítio e observando a sua posição mais estável na célula unitária.

Por apresentarem uma série de vantagens, baterias recarregáveis de íon-lítio são os dispositivos de armazenamento de energia elétrica mais encontrados nos eletrônicos portáteis (smartphones, tablets, laptops…). Além disso, essas baterias apresentam bom potencial para uso em carros elétricos, entre outras aplicações.

Motivado pela potencialidade dos sulfetos de ferro (FeS) para uso em eletrodos de baterias recarregáveis de íon-lítio de próxima geração, Luis Craco, professor do Instituto de Física da Universidade Federal de Mato Grosso (IF-UFMT), empreendeu, junto a seu colega Jorge Luiz Brito de Faria, um estudo teórico sobre o comportamento da troilite (uma fase do sulfeto de ferro que é isolante a temperatura e pressão ambiente) dopada com íons de lítio.

No estudo, Craco e seu colaborador buscaram compreender o que acontecia na troilite depois da dopagem eletrônica – um procedimento que pode transformar um isolante em semicondutor ou em metal ruim por meio da inserção de átomos (no caso, íons de lítio) que promovem uma reorganização na estrutura do material, introduzindo elétrons nela.

Cluster de alta performance computacional do IF-UFMT: a possibilidade de processamentos paralelos encurtou o tempo necessário para fazer os cálculos.

O trabalho começou com uma série de cálculos de primeiros princípios baseados na teoria da densidade funcional (DFT) realizados pelo autor Jorge Faria. Esses cálculos utilizam dados de estrutura cristalina obtidos experimentalmente. A seguir, Luis Craco efetuou um estudo detalhado, mediante cálculos baseados na teoria de campo médio dinâmico (DMFT), do efeito das correlações eletrônicas entre elétrons em diferentes orbitais (regiões em volta do núcleo de um átomo nas quais um elétron tem chance de estar presente). Nessas correlações, uma mudança experimentada por um elétron de um orbital provoca uma mudança relacionada em outro elétron de outro orbital. Elétrons correlacionados atuam coordenadamente, apesar de estarem espacialmente separados. “Cabe lembrar que a descrição teórica introduzida neste trabalho é totalmente nova no contexto da troilite e seus derivados, bem como em outros compostos contendo o ferro e o enxofre como elementos constituintes básicos”, diz Luis Craco.

Em artigo recentemente publicado no Journal of Applied Physics, os professores da UFMT reportaram uma descrição das propriedades eletrônicas e de transporte na troilite dopada e mostraram que o material apresenta comportamentos não-convencionais. De fato, apesar de que o sulfeto de ferro se mantem isolante inclusive tendo altas concentrações de lítio, as simulações computacionais da dupla mostraram que nele emergem estados metálicos após alta dopagem eletrônica. Nesse estado próximo à transição isolante – metal, o material pode ser classificado como isolante de Mott. Além disso, os autores constataram que os estados metálicos emergiam apenas em determinados orbitais atómicos, o que constitui um comportamento de “metal ruim’; ou seja, um comportamento diferente daquele que se espera de um metal dentro de teorias consolidadas na Física.

Ser um metal ruim, contudo, não implica ser banido do universo das aplicações. Muito pelo contrário, de acordo com o artigo, o comportamento incoerente dos elétrons no sulfeto de ferro dopado pode ser aproveitado para chegar a efeitos ópticos e de transporte não convencionais sem sair da temperatura e pressão ambiente.

“Este trabalho faz parte de um esforço continuado envolvendo vários pesquisadores no Brasil e no exterior, o qual tem por objetivo demonstrar claramente que sistemas com elétrons correlacionados representam uma classe importante de materiais para aplicações tecnológicas variadas”, comenta o professor Craco.

“Agora nós esperamos que a comunidade científica, relacionada à física de sistemas de elétrons correlacionados e/ou física de materiais, por exemplo, tome conhecimento do nosso estudo e resultados, e possa num futuro próximo corroborar a nossa descrição teórica das propriedades eletrônicas e de transporte não convencional na troilite dopada com elétrons, consolidando assim a relevância do nosso estudo para futuras aplicações da troilite e seus derivados no armazenamento de energia renovável ou na geração de novas fases eletrônicas não convencionais tipo não-líquidos de Fermi com grande apelo cientifico e tecnológico contemporâneo”, conclui Craco.

A pesquisa contou com financiamento do CNPq.