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Um material com melhor desempenho mecânico no escuro

Em resumo: Pesquisadores descobriram que cristais de sulfeto de zinco eram frágeis sob condições normais de iluminação à temperatura ambiente, mas altamente plásticos quando deformados na escuridão total. A deformação de cristais de sulfeto de zinco no escuro também estreitou sua banda, que controla a condutividade elétrica. As descobertas da equipe mostraram que as propriedades mecânicas e eletrônicas de semicondutores inorgânicos são sensíveis à luz, revelando uma possível rota para projetar o desempenho de semicondutores inorgânicos, que são importantes na eletrônica.

Cristais semicondutores inorgânicos geralmente tendem a falhar de uma maneira frágil. Isto é verdade para o sulfeto de zinco (ZnS); Os cristais de ZnS (A) mostram fraturas catastróficas após testes mecânicos em ambientes comuns de exposição à luz (B). No entanto, descobrimos que os cristais de ZnS podem ser deformados plasticamente até uma deformação de deformação de t = 45% quando deformados ao longo da direção [001] na escuridão completa, mesmo à temperatura ambiente (C). Além disso, o intervalo de banda óptica dos cristais de ZnS deformados diminuiu 0,6 eV após a deformação.
Crédito: Atsutomo Nakamura

Pesquisadores descobriram que os cristais de sulfeto de zinco eram frágeis sob condições normais de iluminação à temperatura ambiente, mas altamente plásticos quando deformados na escuridão total. A deformação de cristais de sulfeto de zinco no escuro também estreitou sua banda, que controla a condutividade elétrica. As descobertas da equipe mostraram que as propriedades mecânicas e eletrônicas de semicondutores inorgânicos são sensíveis à luz, revelando uma possível rota para projetar o desempenho de semicondutores inorgânicos, que são importantes na eletrônica.

Semicondutores inorgânicos, como o silício, são indispensáveis ​​na eletrônica moderna porque possuem condutividade elétrica ajustável entre a de um metal e a de um isolante. A condutividade elétrica de um semicondutor é controlada pelo seu gap, que é a diferença de energia entre suas bandas de valência e de condução; um intervalo de banda estreita resulta em condutividade aumentada porque é mais fácil para um elétron se mover da valência para a banda de condução. No entanto, semicondutores inorgânicos são frágeis, o que pode levar à falha do dispositivo e limita sua faixa de aplicação, especialmente em eletrônica flexível.

Um grupo da Universidade de Nagoya descobriu recentemente que um semicondutor inorgânico se comportava de maneira diferente no escuro em comparação com a luz. Eles descobriram que os cristais de sulfeto de zinco (ZnS), um semicondutor inorgânico representativo, eram frágeis quando expostos à luz, mas flexíveis quando mantidos no escuro à temperatura ambiente. Os resultados foram publicados na Science.

“A influência da escuridão total sobre as propriedades mecânicas dos semicondutores inorgânicos não havia sido investigada anteriormente”, disse o coautor do estudo, Atsutomo Nakamura. “Descobrimos que os cristais de ZnS em completa escuridão exibiam uma plasticidade muito maior do que aqueles sob exposição à luz.”

Os cristais de ZnS no escuro deformaram plasticamente sem fratura até uma grande deformação de 45%. A equipe atribuiu o aumento da plasticidade dos cristais de ZnS no escuro à alta mobilidade das luxações em completa escuridão. Luxações são um tipo de defeito encontrado em cristais e são conhecidos por influenciar as propriedades do cristal. Sob exposição à luz, os cristais de ZnS eram frágeis porque seu mecanismo de deformação era diferente daquele no escuro.

A alta plasticidade dos cristais de ZnS no escuro foi acompanhada por uma diminuição considerável no intervalo de bandas dos cristais deformados. Assim, o gap de cristais de ZnS e por sua vez a sua condutividade elétrica pode ser controlada por deformação mecânica no escuro. A equipe propôs que a diminuição da folga da banda dos cristais deformados foi causada pela deformação introduzindo deslocamentos nos cristais, o que mudou sua estrutura de bandas.

“Este estudo revela a sensibilidade das propriedades mecânicas de semicondutores inorgânicos à luz”, diz o coautor Katsuyuki Matsunaga. “Nossas descobertas podem permitir o desenvolvimento de tecnologia para projetar cristais através da exposição controlada à luz.”

Os resultados dos pesquisadores sugerem que a força, a fragilidade e a condutividade de semicondutores inorgânicos podem ser reguladas pela exposição à luz, abrindo um caminho interessante para otimizar o desempenho de semicondutores inorgânicos em eletrônica.

Referência:

Yu Oshima, Atsutomo Nakamura, Katsuyuki Matsunaga. Plasticidade extraordinária de um semicondutor inorgânico na escuridão. Science, 2018; 360 (6390): 772 DOI: 10.1126/science.aar6035

Artigo publicado originalmente no site Science Daily, para ver o artigo original em inglês, clique aqui.

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