Ouro monocristalino aproxima componentes eletrônicos do limite de eficiência

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/02/2024

A espectroscopia a laser de amostras de ouro monocristalino e policristalino revelou que os elétrons no primeiro permanecem "quentes" por muito mais tempo.
[Imagem: Megan Grace-Hughes/UCL]

Ouro monocristalino

Quando você ouve falar de cristais ou sólidos cristalinos - seja uma gema preciosa ou um metal - também ouvirá que a principal característica dos cristais é que eles são formados por arranjos periódicos dos átomos, que se repetem no espaço.

Na prática, porém, virtualmente todos os metais e demais materiais cristalinos que usamos no dia a dia são policristalinos, o que significa que, independentemente da sua pureza, eles são formados por muitos cristais individuais, conhecidos como grãos, ou grânulos.

Os grãos apresentam "fronteiras", sendo que esses limites entre os grãos são considerados como "defeitos" na estrutura cristalina. E são defeitos mesmo para uma série de pontos de vista práticos, já que esses limites interferem com o movimento dos elétrons, gerando aquecimento, perda de energia, perda de informações etc.

Mas também é possível - embora não seja fácil - criar materiais monocristalinos, cristais macroscópicos que se parecem com os exemplos dos livros textos, sem grãos, sem fronteiras e, portanto, com propriedades ópticas e elétricas únicas - além de maior dureza, menor ductilidade e maior resistência à deformação.

Veja o caso do ouro: O metal precioso tem sido a ferramenta preferida para aumentar a fotossensibilidade de dispositivos eletrônicos, como biossensores, sistemas de imagem, coletores de energia e processadores de informação. O ouro utilizado para isso tem sido policristalino, mas nos últimos anos vários grupos de pesquisa refinaram técnicas para a produção de ouro monocristalino.

Infelizmente, não há nada de graça neste mundo, e ninguém conseguiu fazer cristais únicos de ouro de dimensões respeitáveis: Para camadas de ouro monocristalino com menos de 100 nanômetros (nm) de espessura, as dimensões laterais máximas são de apenas alguns micrômetros, o que é pequeno demais para aplicações práticas.

Mas o esforço pode valer mais a pena do que os cientistas pensavam.

O ouro já é excelente em inúmeras aplicações. Mas o ouro monocristalino pode ser ainda melhor.
[Imagem: Can O. Karaman et al. - 10.1038/s41467-024-44769-3]

Vantagens do ouro monocristalino

Pesquisadores do Reino Unido e da Suíça descobriram que os elétrons nesses novos filmes de ouro monocristalino se comportam de maneira significativamente diferente dos elétrons no ouro policristalino. "Tivemos surpresas que não esperávamos," disse Anatoly Zayats, do Colégio Universitário de Londres.

E as diferenças podem trazer benefícios significativos para as aplicações práticas.

O ouro é um fotossensibilizador muito bom porque suporta uma resposta ressonante na qual o campo eletromagnético oscilante da luz que lhe atinge faz os elétrons balançarem para frente e para trás coletivamente. Esse movimento coletivo é conhecido como plásmon de superfície e, à medida que a oscilação sai de fase, a energia do plásmon passa para os elétrons e para as lacunas (cargas positivas). Graças a esta transferência de energia, os elétrons desenvolvem uma temperatura efetiva muito superior à temperatura de equilíbrio do material.

São esses elétrons "quentes" que são tão úteis para iniciar reações químicas (catálise), sinalizar a detecção de fótons, armazenar energia e assim por diante. O principal desafio é capturá-los antes que percam energia.

Ao estudar como isso acontece no ouro monocristalino, Can Karaman e seus colegas descobriram que os elétrons permaneceram quentes por muito mais tempo nos cristais únicos, enquanto no material policristalino a presença de limites de grão gera maior espalhamento dos elétrons e maior perda de energia.

Os pesquisadores também descobriram que é possível extrair elétrons quentes com muito mais eficiência do ouro monocristalino: A superfície do ouro monocristalino é atomicamente lisa, levando a eficiência da extração de elétrons para próximo do limite teórico de 9%. A equipe atribui isto ao tempo de vida mais longo dos elétrons quentes, o que significa que os elétrons terão tantos encontros com a superfície em um estado altamente energético que acabarão por escapar.

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