Como nanotubos ultrafinos de dissulfeto de molibdênio poderiam transformar futuros transistores e dispositivos quânticos
Os nanotubos têm atraído interesse científico desde o início da década de 1990 porque suas estruturas atômicas cilíndricas podem exibir propriedades elétricas, ópticas e mecânicas incomuns. Embora os nanotubos de carbono tenham se twister o foco dominante da pesquisa, os cientistas também previram que os nanotubos semicondutores inorgânicos poderiam oferecer vantagens para a eletrônica do futuro se suas estruturas atômicas pudessem ser controladas com precisão. Isto foi seguido em 1995 pelo crescimento bem-sucedido em fase gasosa de alta taxa de fulerenos e nanotubos inorgânicos aninhados com MoS2.
Avanços nas propriedades funcionais
À medida que o campo avançava, a pesquisa mudou para a compreensão das propriedades físicas únicas destes materiais: Supercondutividade e Fotovoltaica: Investigações sobre nanotubos quirais relacionados levaram à descoberta da supercondutividade em 2017 e a um efeito fotovoltaico intrínseco aprimorado em nanotubos de dissulfeto de tungstênio em 2019Previsões teóricas: Estudos teóricos, como os realizados em 2000 e 2002, previram que as propriedades eletrônicas e a estabilidade dos nanotubos de MoS2 mudariam significativamente à medida que seus diâmetros diminuíssem, prevendo especificamente que os bandgaps diminuiriam com a diminuição do diâmetro.A pesquisa ‘Crescimento confinado de nanotubos de MoS2 de poltrona no limite de 1 nm’ mostra que o desafio está no tamanho. Os métodos convencionais de fabricação geralmente produzem nanotubos maiores que 10 nanômetros de diâmetro, muitas vezes com paredes múltiplas e irregularidades estruturais. Modelos teóricos desenvolvidos há mais de duas décadas sugeriam que nanotubos de parede única muito menores deveriam exibir mudanças mensuráveis em seu bandgap eletrônico, uma propriedade que determina como os semicondutores conduzem eletricidade. Até agora, essas previsões permaneceram em grande parte não testadas.De acordo com Professor Associado Yusuke NakanishiDepartamento de Ciência de Materiais Avançados em Kashiwa, da Universidade de Tóquio:“Alcançamos a síntese de nanotubos semicondutores atomicamente precisos com diâmetros nanométricos. Esses nanotubos precisos são identificados como uma plataforma superb para canais de transistor em nanoescala.”As medições da equipe demonstraram que o bandgap diminui à medida que o diâmetro do nanotubo diminui, confirmando diretamente as previsões teóricas propostas há mais de um quarto de século.
Construindo um nanotubo estável com apenas um nanômetro de largura
Para alcançar a descoberta, os pesquisadores usaram nanotubos de nitreto de boro como modelos externos de proteção. Dentro desses espaços confinados em nanoescala, átomos de dissulfeto de molibdênio (MoS₂) se reuniram em nanotubos de parede única altamente ordenados com aproximadamente um nanômetro de diâmetro.Historicamente, esses pequenos nanotubos foram considerados instáveis ou inacessíveis devido à extrema tensão causada pela sua elevada curvatura. Os pesquisadores alcançaram estabilidade usando reações espacialmente confinadas dentro de nanotubos isolantes de nitreto de boro (BN).A microscopia eletrônica avançada e o mapeamento químico confirmaram as estruturas e revelaram arranjos atômicos excepcionalmente bem definidos. O nitreto de boro circundante agiu como uma camada estabilizadora, permitindo que os nanotubos semicondutores ultrafinos se formassem sem entrar em colapso.As estruturas resultantes diferem significativamente de muitos sistemas de nanotubos existentes. Em vez de depender de múltiplas paredes concêntricas ou materiais de suporte dentro do tubo, a nova arquitetura preserva um canal semicondutor limpo com precisão de nível atômico.Yusuke Nakanishi, o autor principal e correspondente, explicou:“Sua maior vantagem é o controle estrutural em nível atômico. Essa arquitetura específica é vista como um caminho promissor para a criação de canais de transistores verdadeiramente em nanoescala.”
Por que a descoberta é importante para a eletrônica do futuro
À medida que os transistores de silício continuam se aproximando dos limites de escala física, os engenheiros estão explorando materiais alternativos capazes de manter um comportamento previsível em dimensões extremamente pequenas. Pequenas imperfeições estruturais afetam cada vez mais o desempenho à medida que os dispositivos encolhem, criando um dos principais obstáculos enfrentados pela futura tecnologia de semicondutores.Os nanotubos recentemente desenvolvidos oferecem uma solução potencial porque a sua estrutura atómica pode ser controlada com muito maior precisão do que os canais semicondutores convencionais. Os pesquisadores acreditam que o arranjo coaxial, no qual um nanotubo semicondutor de MoS₂ é cercado por um nanotubo isolante de nitreto de boro, poderia eventualmente ser útil para arquiteturas de transistores de porta completa, um dos designs mais avançados atualmente em busca pela indústria de semicondutores.Embora os dispositivos práticos ainda estejam a anos de distância, o trabalho estabelece um novo caminho para a construção de nanotubos semicondutores com propriedades eletrônicas previsíveis. A abordagem também pode ser estendida a materiais magnéticos, supercondutores e outros materiais inorgânicos, ampliando potencialmente a ciência dos nanotubos muito além dos sistemas baseados em carbono.Mais importante ainda, a conquista encerra um capítulo que começou com cálculos teóricos há mais de 25 anos. O que antes period uma previsão confinada a modelos matemáticos agora pode ser medido diretamente dentro de um nanotubo com apenas um bilionésimo de metro de largura.
