Pesquisadores da Universidade de Minnesota-Twin Cities demonstraram uma nova maneira inesperada de mudar o comportamento eletrônico dos metais. Ao projetar cuidadosamente as interações atômicas onde os dois materiais entram em contato, a equipe conseguiu alterar significativamente as propriedades do material metálico.
Os resultados da pesquisa foram publicados em comunicações da naturezamostraram que um fenômeno chamado polarização interfacial pode ser usado para ajustar a função de trabalho superficial do dióxido de rutênio metálico (RuO2) além de 1 elétron-volt (eV). Este efeito pode ser alcançado simplesmente alterando a espessura do filme ultrafino em alguns nanômetros.
Controle em escala atômica das propriedades do metal
A polarização geralmente está associada a materiais isolantes e ferroelétricos, e não a metais. No entanto, os pesquisadores descobriram uma maneira de estabilizar a polarização em sistemas metálicos e usá-la para influenciar o comportamento dos elétrons.
“Normalmente pensamos que a polarização pertence a isolantes ou ferroelétricos, e não a metais”, disse Bharat Jalan, professor do Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Universidade de Minnesota e presidente da Shell. “Nosso trabalho mostra que com um design de interface cuidadoso, você pode estabilizar a polarização em um sistema metálico e usá-la como um botão para ajustar as propriedades eletrônicas. Isso abre uma maneira totalmente nova de pensar sobre o controle de metais.”
A equipe de pesquisa descobriu que esse efeito depende fortemente da espessura da camada metálica. As mudanças mais dramáticas ocorreram quando a espessura do filme de dióxido de rutênio atingiu cerca de 4 nanômetros (aproximadamente a largura de uma única fita de DNA).
4 Principais mudanças em nanômetros
Nesta espessura, o metal sofre uma transição de um estado de tensão induzido pelo material subjacente para um arranjo atômico mais relaxado. Os resultados fornecem evidências diretas de que a forma como os átomos são organizados dentro de um material tem um impacto mensurável nas suas propriedades eletrônicas.
“Isso é surpreendente”, disse Seung Gyo Jeong, primeiro autor do estudo e pesquisador da equipe de Jalan. “Esperávamos efeitos de interface sutis, mas não mudanças tão grandes e controláveis na função de trabalho. É particularmente emocionante poder visualizar as mudanças polares na escala atômica e relacioná-las diretamente com medições eletrônicas.”
Ao observar pequenos movimentos atômicos e associá-los a grandes mudanças eletrônicas, os pesquisadores conseguiram mostrar como a engenharia de interface pode ser usada como uma ferramenta poderosa para controlar metais.
Aplicações potenciais de eletrônica e tecnologias quânticas
Além de melhorar a compreensão dos cientistas sobre a física fundamental, a descoberta poderá ajudar a orientar o desenvolvimento de futuros dispositivos eletrônicos, sistemas catalíticos e tecnologias quânticas.
Os colaboradores do estudo foram da Universidade de Minnesota-Twin Cities, MIT, Texas A&M University, Instituto de Ciência e Tecnologia de Gwangju e Escola de Física da Universidade de Minnesota-Twin Cities.
O financiamento para este trabalho foi fornecido pelo Departamento de Energia dos EUA e pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea.
