Modelos 3D em escala atômica nos mostram como os gadgets funcionam

Modelos 3D em escala atômica nos mostram como os gadgets funcionam

Ilustração da análise de tomografia com sonda atômica. O mapa 3D à esquerda mostra a distribuição medida de átomos, com cada ponto representando um átomo. A partir dos dados do APT, o estudo pode construir um modelo preciso em escala atômica, conforme mostrado à direita. Eles podem identificar átomos individuais, neste caso titânio (Ti), ao qual o material (ErMnO3) foi adicionado para ajustar suas propriedades. Crédito: Kasper Aas Hunnestad, NTNU

Embora a nanotecnologia e a ciência dos materiais sejam tópicos complexos para a maioria de nós, a pesquisa nesses campos é muito importante para quase todos. Por exemplo, seus gadgets digitais são completamente dependentes dele.

Hoje, toda a microeletrônica depende de semicondutores. Estes são materiais que não são muito bons em conduzir eletricidade. Mas você pode adicionar pequenas quantidades de outras substâncias a eles, um processo chamado doping. Isso melhora o desempenho dos semicondutores, então eles não são tão ruins assim.

“No passado, dopamos semicondutores e descobrimos que isso altera drasticamente as propriedades elétricas do material”, disse o Dr. Kasper Aas Hunnestad, candidato do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da NTNU.

É tudo de bom. Quando algo funciona, está tudo bem. Mas além do fato de que funciona, nem sempre entendemos bem por que funciona. Isso é especialmente verdadeiro no nível atômico.

“Agora temos uma ideia melhor de como imaginar átomos adicionados individuais, que eram quase impossíveis de encontrar antes. Isso nos dá novos insights sobre como eles afetam as propriedades desse material”, disse Hunnestad.

Por que “saber o porquê” também é importante

E daí? Por que diabos devemos nos preocupar com átomos individuais e por que algumas coisas funcionam? Não é suficiente apenas saber que ele realmente funciona? Se for esse o caso, físicos e químicos certamente se divertirão fazendo pesquisas, mas o resto de nós não se beneficiará tanto.

“É somente quando você aprende mais sobre como as coisas funcionam que você pode manipular o material e otimizá-lo”, diz Dennis Meyer. Ele é professor no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da NTNU e é o líder do projeto.

Dessa forma, por exemplo, você pode fabricar materiais mais eficientes, mais ecológicos ou mais baratos para realizar o trabalho. Alternativamente, você pode atribuir novas propriedades a materiais existentes com mais precisão. Também é fundamental para o desenvolvimento de materiais futuros para tecnologias sustentáveis.

“Normalmente, queremos introduzir novas funcionalidades em materiais. Para fazer isso, precisamos entender exatamente qual o papel de cada átomo”, disse Meyer.

Modelos 3D em escala atômica nos mostram como os gadgets funcionam

Equipe NTNU-SINTEF. Sverre M. Selbach, Muhammad Zeeshan Khalid, Antonius TJ van Helvoort, Kasper A. Hunnestad, Constantinos Hatzoglou, Dennis Meier e Per Erik Vullum. Crédito: Gail Morgan, NTNU

A tecnologia de imagem avançada torna possível

Em um artigo recente, Hunnestad e seus colegas apresentaram os resultados de muitas horas de trabalho usando “tomografia com sonda atômica” (APT). Comunicações da Natureza.

O APT é um dispositivo avançado e de ponta que a NTNU adquiriu há alguns anos. Constantinos Hatzoglou explicou que a máquina pode fornecer uma representação tridimensional da aparência de um material, até o nível atômico. Engenheiro Sênior no Laboratório APT, Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais.

Hunnestad e seus colegas aproveitaram essa capacidade notável para estudar um novo tipo de óxido semicondutor no qual quantidades muito pequenas de substâncias são adicionadas para ajustar suas propriedades.

“As técnicas convencionais de microscopia não nos permitem ver como pequenas quantidades de aditivos estão localizadas em semicondutores”, disse Hunnestad. Os novos resultados mostram que os investimentos nos melhores equipamentos técnicos, como esta máquina APT, podem gerar grandes retornos e possibilitar pesquisas inovadoras.

mostra grande potencial

Nem é fácil fazer pesquisa com o APT. Mas ao reunir colegas com diversas experiências experimentais e teóricas – e trabalho árduo e inspirador – a equipe NTNU encontrou uma solução.

“Esta não é apenas uma conquista incrível. Também demonstra o enorme potencial da tecnologia APT em áreas de pesquisa anteriormente não aplicadas. disse.

Hunnestad trabalha com a APT há cerca de três anos. Com o apoio de Antonius van Helvoort e Per Erik Vullum, ele realizou extensas medições de microscopia de correlação. Van Helvoord é professor no Departamento de Física da NTNU e especialista em microscopia eletrônica de alta resolução, enquanto Vullum é professor II no Departamento de Física da NTNU e membro sênior da Indústria SINTEF.

Hunnestad e Meier estão entusiasmados com todas as possibilidades fascinantes que surgiram de suas pesquisas baseadas em APT e novas perspectivas sobre a caracterização de materiais funcionais em escala atômica.

Imagem de átomos de titânio simples misturados em semicondutores

Em seu artigo recente, a equipe de pesquisa investigou o semicondutor à base de óxido Er(Mn,Ti)O3Para fazer isso, seus colaboradores do Lawrence Berkeley National Laboratory adicionaram o oligoelemento titânio (Ti) ao manganato de érbio (ErMnO3).

“Usando sondas atômicas, podemos obter uma representação tridimensional da posição dos átomos de titânio no semicondutor”, disse Meyer. “Isso nos permite conectar novas propriedades elétricas do material até os átomos individuais”.

O Dr. Muhammad Zeeshan Khalid faz parte de uma equipe liderada por Sverre Selbach, professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da NTNU. Ele complementou os experimentos com cálculos. Esses cálculos fornecem mais informações sobre os efeitos de átomos individuais nas propriedades físicas.

Uma das vantagens do que os pesquisadores fizeram é que eles poderiam usar o método em muitas outras substâncias também. Não se limita às substâncias testadas pela equipe de pesquisa da NTNU.

“Os procedimentos e resultados são de grande interesse. Eles podem expandir nossa compreensão de semicondutores de óxido e materiais funcionais em geral. Esta pesquisa abre portas inteiramente novas”, disse Meyer.

Formas colaborativas para fortalecer a pesquisa

Muitas pessoas de diferentes partes da NTNU contribuíram para tornar este avanço científico possível. Este trabalho foi apoiado pelo SINTEF, o Conselho Norueguês de Pesquisa, a Instalação Norueguesa de Micro e Nanofabricação (NorFab), o Laboratório Norueguês de Caracterização de Minerais e Materiais (MiMaC), o Centro Norueguês de Microscopia Eletrônica de Transmissão (NORTEM) e NTNU Nano.

Os pesquisadores observam que esse esforço colaborativo é uma boa demonstração do poder da pesquisa interdisciplinar. Ele mostra o que uma infraestrutura sólida de última geração pode realizar.

Os detalhes de como Hunnestad alcançou resultados tão impressionantes podem não ser fáceis de entender para a maioria de nós. Mas se você quiser se aprofundar, o link para o artigo de pesquisa abaixo lhe dará algo.


Grandes avanços na eletrônica do futuro


Mais Informações:
KA Hunnestad et al., imagem 3D em escala atômica de átomos dopantes únicos em semicondutores de óxido, Comunicações da Natureza (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-32189-0

Fornecido pela Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia

Citação: Modelos 3D de nível atômico nos mostram como os gadgets funcionam (6 de outubro de 2022), 6 de outubro de 2022 em https://phys.org/news/2022-10-atomic-level-3d-gadgets.html recuperação

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