Linhas de Pesquisa
CRESCIMENTO EPITAXIAL DE MATERIAIS QUÂNTICOS
Bi2Te3: isolante topológico
Uma linha de atuação se refere ao crescimento epitaxial (van der Waals) e caracterização do isolante topológico Bi2Te3 por MBE. O Departamento de Física da UFV, juntamente com o Laboratório de Epitaxia, de Compostos IV-VI e V-VI, por Feixe Molecular – MBE do INPE, são os únicos lugares no Brasil que produzem tal estrutura por MBE. Nas suas primeiras décadas, o crescimento por MBE limitava-se principalmente a materiais com parâmetros de rede e valências químicas estreitamente compatíveis com os do substrato (epitaxia convencional). No entanto, essa exigência de compatibilidade de rede restringia significativamente as combinações de materiais, devido à disponibilidade limitada de substratos adequados.
A epitaxia de van der Waals (vdWE) tem sido amplamente utilizada devido à vantagem de flexibilizar a condição
de coerência de rede entre a camada e o substrato. Materiais que seguem a vdWE possuem uma estrutura lamelar composta
por camadas atômicas bidimensionais, nas quais os elementos estão fortemente ligados (por ligação covalente) nos planos das lamelas, enquanto as lamelas estão fracamente ligadas entre si por meio de forças de van der Waals. Portanto, a superfície de um material de van der Waals não apresenta ligações pendentes, e se o substrato também for um material
lamelar ou tiver sua superfície passivada, a regra de compatibilidade de rede pode ser flexibilizada. Essa vantagem da vdWE permite o crescimento de alta qualidade, mesmo na presença de um descasamento de rede de até 50%.
O Bi2Te3 apresenta planos hexagonais alternadas organizadas em camadas quíntuplas, seguindo a sequência Te1−Bi−Te2−Bi−Te1, as quais são mantidas unidas por forças de van der Waals fracas entre planos Te1 adjacentes, tornando-se um sistema adequado para a epitaxia de van der Waals (vdWE). Ademais, o Bi2Te3 tem despertado atenção recentemente como um isolante topológico tridimensional, devido aos seus estados de superfície protegidos e livres de dissipação, com acoplamento entre spin e momento, o que pode viabilizar dispositivos de spintrônica, computação quântica e sensores topológicos.
MnBi2Te3: isolante topológico magnético
Outra linha de atuação se refere ao crescimento epitaxial (van der Waals) e caracterização do MnBi2Te4. O MnBi2Te4 pertence a um grupo de materiais de van der Waals (vdW) e a uma nova classe de materiais quânticos que exibem uma combinação de propriedades de isolante topológico e ordenamento magnético. Antes da recente descoberta do MnBi2Te4 como um isolante topológico magnético intrínseco, isolantes topológicos magnéticos eram obtidos pela dopagem de isolantes topológicos convencionais com elementos magnéticos como Cr, V e Mn. No entanto, a dopagem magnética tipicamente introduz desordem e heterogeneidades, tornando difícil obter propriedades magnéticas e topológicas robustas e ajustáveis. Em contrapartida, o MnBi2Te4 oferece uma plataforma estequiométrica e estruturalmente ordenada na qual o magnetismo e a topologia de bandas não trivial coexistem intrinsecamente, abrindo novas perspectivas tanto para a pesquisa fundamental quanto para aplicações em dispositivos.
O MnBi2Te4 é um material em camadas de van der Waals composto por camadas septuplas dispostas na ordem de empilhamento Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te. Os átomos de Mn exibem uma interação ferromagnética intracamada, enquanto o acoplamento entre camadas é antiferromagnético, resultando em anisotropia perpendicular com um estado fundamental antiferromagnético. Essa ordem magnética abre um gap no estado de superfície topológico, possibilitando o surgimento de fenômenos quânticos exóticos, como férmions de Weyl, efeito Hall quântico anômalo e estados de isolante axiônico.
CRESCIMENTO EPITAXIAL DE SEMICONDUTORES II-VI
Uma linha de atuação se refere ao crescimento epitaxial por MBE de heteroestruturas baseadas no semicondutor CdTe e suas ligas ternárias com Mn sobre Si(111). Sistemas de filmes finos, sistemas de baixa dimensão como poços quânticos, fios e pontos quânticos produzidos a partir de diferentes materiais semicondutores têm sido usados como blocos de construção para o desenvolvimento de dispositivos mesoscópicos. Heteroestruturas como poços quânticos têm sido exploradas como um modelo para controlar o grau de liberdade do spin de elétrons e alcançar o desenvolvimento de dispositivos spintrônicos e pontos quânticos são candidatos potenciais para tecnologia de informação quântica. A maioria dessas nanoestruturas são fabricadas empregando semicondutores do grupo III-V. No entanto, nanoestruturas quânticas de baixa dimensão do grupo II-VI atraíram recentemente a atenção para desenvolver dispositivos quânticos baseados em poços quânticos e pontos quânticos. Essa linha de atuação busca o crescimento e caracterização dessas heteroestruturas. Apesar de uma incompatibilidade de rede de quase 20%, as heteroestruturas CdMnTe/CdTe/CdMnTe crescidas diretamente em Si(111) têm propriedades de emissão óptica surpreendentemente boas.
MEMBRANAS SEMICONDUTORAS E POTENCIAIS APLICAÇÕES
Os materiais semicondutores têm estado no cerne da revolução na eletrônica desde a invenção do transistor. Esse desenvolvimento é acompanhado por métodos de crescimento com controle refinado, os quais têm sido explorados para permitir a produção de filmes finos com interfaces bem definidas. Mais recentemente, materiais semicondutores monocristalinos têm sido processados de modo a torná-los finos o suficiente para exibir comportamento mecânico característico de matéria mole, mantendo, ao mesmo tempo, uma estrutura cristalina de alta qualidade. A espessura nanométrica, a alta flexibilidade, a escalabilidade e a criação de interfaces de proximidade empilhadas em nanomembranas semicondutoras estabelecem direções potencialmente interessantes para o desenvolvimento científico e tecnológico de dispositivos flexíveis baseados em materiais híbridos.
Nanomembranas semicondutoras desempenham um papel fundamental no desenvolvimento da próxima geração de dispositivos, devido à sua alta flexibilidade, grandes áreas transferíveis e compatibilidade com a construção de sistemas híbridos. Semicondutores tradicionais podem ser integrados a outros sistemas inorgânicos, orgânicos e biológicos por meio de tecnologias de fabricação e transferência de membranas.
Camadas de alta qualidade de CdTe são geralmente crescidas sobre Si e GaAs, uma vez que substratos mais óbvios (BaF2, CdTe, CdS, entre outros) são caros e apresentam dimensões limitadas. O crescimento epitaxial de filmes finos de CdTe com alta qualidade cristalina utilizando substratos de GaAs (ou Si) ainda é um campo de pesquisa promissor, e a integração com membranas III–V abre uma oportunidade clara para novos dispositivos flexíveis de filme fino. O grupo tem investigado a fabricação de heteroestruturas baseadas em CdTe utilizando a tecnologia emergente de membranas do grupo III-V.
Entre os materiais inorgânicos tradicionais, membranas semicondutoras do grupo III-V à base de GaAs e InGaAs têm sido utilizadas para fabricar transistores de alta mobilidade eletrônica, substratos flexíveis e materiais híbridos baseados na integração de nanomembranas de GaAs com dicalcogenetos. Materiais do tipo silício sobre isolante (SOI) e germânio sobre isolante (GeOI), disponíveis comercialmente, também têm sido empregados para controlar propriedades físicas por meio da engenharia de deformação no crescimento epitaxial e no desenvolvimento de dispositivos. As membranas de silício têm sido amplamente utilizadas em diversas tecnologias, apresentando potencial para a fabricação de dispositivos avançados em larga escala. O grupo tem investigado a fabricação de heteroestruturas CdTe(111)/Si(111) utilizando a tecnologia emergente de membranas comerciais de silício (SOI, silicon-on-insulator).
A tecnologia de fabricação de membranas também tem sido foco do grupo no desenvolvimento de dispositivos, como fotodetectores e células solares, entre outros. Recentemente, desenvolveu-se uma metodologia para fabricar membranas de p-CdTe autossustentadas por meio de um fenômeno interfacial, possibilitando a fabricação de heterojunções n-Si/p-CdTe para o desenvolvimento de fotodetectores. Para obter essas arquiteturas cristalinas de alta qualidade, avanços recentes nas técnicas de lift-off epitaxial e de transferência de membranas oferecem uma abordagem transformadora. Sua principal vantagem é a capacidade de separar filmes cristalinos íntegros de seus respectivos substratos de crescimento. As arquiteturas de silício sobre isolante (SOI) oferecem uma plataforma adequada para explorar essa capacidade, apesar da significativa incompatibilidade de rede de 19% entre o CdTe e o Si.
Self-Powered CdTe freestanding membrane photodetectors. Submetido.
Surface-tension-driven transfer of submicron silicon nanomembranes for stacked p–n junction. Submetido.
MICROSCOPIA DE TUNELAMENTO (STM) E ESPECTROSCOPIA DE TUNELAMENTO (STS)
O grupo atua na caracterização de superfícies, viabilizando o estudo da estrutura cristalina de materiais condutores e semicondutores com resolução atômica. As medidas de espectroscopia de tunelamento e os mapas espaciais fornecem informações sobre a energia do ponto de Dirac de isolantes topológicos. A técnica permite a investigação local com resolução em energia da densidade de estados (DOS) da superfície de uma amostra, por meio da medição da condutância diferencial (dI/dV), a qual é aproximadamente proporcional à DOS. Ademais, a equipe atua na submissão de projetos para utilização de laboratórios nacionais abertos como o LNLS e LNNano (CNPEM). Recentemente, medidas de crystal truncation rod (CTR) realizadas na linha de luz EMA do Sirius foram realizadas para avaliar a estrutura superficial de filmes de MnBi₂Te₄ crescidos sob diferentes condições de fluxo de Mn. A CTR é particularmente adequada para esse propósito porque a intensidade entre as reflexões de Bragg é sensível à estrutura e à composição das camadas próximas à superfície, demonstrando a capacidade da técnica de distinguir diferentes terminações e fases superficiais. Existem outros projetos como esse em andamento.
Surface chemical segregation and room-temperature quantum confinement in self-assembled nanostructures on the MnBi2Te4 magnetic topological insulator. Submetido.