Novo microscópio permite obter imagens de um material 2D invisível
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Os investigadores dos departamentos de Físico-Química e de Teoria do Instituto Fritz Haber descobriram uma nova forma de obter imagens de camadas de nitreto de boro com apenas um átomo de espessura. Este material é normalmente quase invisível nos microscópios ópticos porque não tem ressonâncias ópticas. Para resolver este problema, a equipa utiliza microscopia não linear com luz infravermelha, fazendo com que o material brilhe muito e revele mesmo a sua orientação cristalina. O trabalho tem implicações importantes para o vibrante campo da conceção de novos dispositivos (opto-)electrónicos a partir do empilhamento de materiais 2D.
© FHI
Aspectos-chave
- Um material fascinante: O nitreto de boro hexagonal (hBN) é um material muito importante para o vasto e próspero campo da investigação de materiais bidimensionais (2D) e de novos dispositivos emergentes.
- O desafio: As monocamadas - com apenas um átomo de espessura - de hBN têm sido muito difíceis de utilizar em estruturas 2D porque são muito difíceis de ver.
- A nova abordagem: A microscopia de soma-frequência que conduz ressonantemente uma vibração da rede de hBN faz com que as monocamadas de hBN se iluminem.
Porquê estudar materiais 2D?
Os materiais 2D são substâncias cristalinas constituídas apenas por uma única camada de átomos e têm propriedades muito invulgares que resultam da sua natureza extremamente fina. A ciência dos materiais conhece os materiais de camada fina há mais de cem anos, mas só em 2004 é que as primeiras camadas 2D - nomeadamente o grafeno - foram produzidas com sucesso. Desde então, têm sido continuamente desenvolvidos novos materiais 2D e surgiram novas aplicações. As camadas finas são procuradas para aplicações em muitas tecnologias futuras, desde sistemas electrónicos e energéticos a componentes ópticos. Por isso, estes materiais fascinantes são objeto de extensa investigação.
O desafio do nitreto de boro hexagonal
O nitreto de boro (BN) - também conhecido como "grafeno branco" - é um material em camadas composto pelos elementos boro (B) e nitrogénio (N), e pode existir em várias formas, incluindo o nitreto de boro hexagonal (hBN). À semelhança do grafeno, o hBN tem uma estrutura de rede hexagonal e as suas camadas 2D são amplamente utilizadas em várias aplicações, como a ótica quântica ou a nanofotónica de infravermelhos, ou simplesmente como substrato ou material de encapsulamento. Para tais aplicações, é fundamental uma caraterização precisa das camadas de h-BN. No entanto, para além da pronunciada ressonância no infravermelho médio, como monocamada, o hBN é transparente em toda a gama espetral do infravermelho próximo e do visível. Assim, não pode ser estudado com microscópios ópticos convencionais.
Esta restrição tem impedido até agora a sua utilização no desenvolvimento de novos materiais. Por exemplo, para identificar possíveis distorções e limites de grão em camadas 2D, estes devem ser mapeados com precisão. Além disso, os investigadores empilham monocamadas de materiais 2D umas sobre as outras para criar "estruturas de van der Waals" que podem apresentar propriedades completamente novas e excitantes. Idealmente, esta estratificação poderia ser analisada ao vivo num microscópio e a orientação das camadas individuais poderia ser visualizada. O desenvolvimento de tais capacidades para o hBN é, por isso, altamente desejado.
O microscópio de soma de frequências
A equipa de investigação do Instituto Fritz Haber ultrapassou este desafio através do seu microscópio recentemente desenvolvido, que utiliza um truque da ótica não linear para tornar visível o material hBN, que de outra forma seria invisível. O seu método, denominado "microscopia de soma de frequências resolvida por fase", mistura dois feixes de laser, um no infravermelho médio e outro na gama visível, para gerar um sinal de soma de frequências na amostra que é medida. Ao conduzir ressonantemente uma vibração da rede de hBN, o sinal de soma de frequências medido torna-se muito intenso, tornando possível não só obter imagens de grandes áreas de amostra de 100 × 100 μm2 em menos de 1 s, mas também visualizar a orientação do cristal.
Graças ao seu novo microscópio, os investigadores revelaram que as camadas 2D de hBN que crescem em domínios triangulares apresentam extremidades em ziguezague terminadas em azoto. Além disso, a elevada não-linearidade observada na gama de frequências da ressonância vibracional destaca o hBN monocamada como um material promissor para a conversão ascendente de frequências - do infravermelho para o visível - em novos dispositivos optoelectrónicos.
Cooperação frutuosa entre dois departamentos da FHI e parceiros internacionais
Este estudo é um testemunho da filosofia de investigação altamente colaborativa do Instituto Fritz Haber, que combina a experiência de vários grupos de investigação dos seus diferentes departamentos, bem como dos seus muitos parceiros internacionais, em projectos conjuntos para enfrentar os grandes desafios da ciência. As amostras de monocamada de hBN foram sintetizadas na Universidade de Vanderbilt e depois analisadas por microscopia de soma de frequências no Departamento de Química Física do Instituto Fritz Haber. Para apoiar a caraterização avançada das amostras, foram registadas imagens de microscopia de força atómica (AFM) por parceiros de colaboração no Departamento de Física da Freie Universitat Berlin. Finalmente, a incorporação dos conhecimentos do Departamento de Teoria do Instituto Fritz Haber permitiu a extração dos detalhes cristalográficos.
Perspectivas do novo método experimental
O microscópio recentemente desenvolvido oferece vantagens claras em relação a outros métodos existentes. Antes de mais, pode tornar visíveis materiais opticamente transparentes num microscópio ótico. As imagens resultantes têm um contraste muito mais elevado do que as imagens AFM tradicionais, e a utilização do realce de ressonância vibracional permite a "imagem em direto" do hBN, incluindo informações em linha sobre a sua orientação cristalina. Estas capacidades avançadas tornam viável o fabrico controlado de estruturas de van der Waals em camadas em aplicações futuras. Finalmente, os autores prevêem também uma extensão desta nova ferramenta de imagiologia como método não invasivo e sem etiquetas para estudar uma gama mais vasta de materiais 2D empilhados, bem como as suas combinações com conjuntos moleculares anisotrópicos.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Niclas S. Mueller, Alexander P. Fellows, Ben John, Andrew E. Naclerio, Christian Carbogno, Katayoun Gharagozloo‐Hubmann, Damián Baláž, Ryan A. Kowalski, Hendrik H. Heenen, Christoph Scheurer, Karsten Reuter, Joshua D. Caldwell, Martin Wolf, Piran R. Kidambi, Martin Thämer, Alexander Paarmann; "Full Crystallographic Imaging of Hexagonal Boron Nitride Monolayers with Phonon‐Enhanced Sum‐Frequency Microscopy"; Advanced Materials, 2025-11-20
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