Brasileiros criam nova técnica de plasmar cristais únicos

Dudu Souza outubro 7, 2022 3 min read

Monocristais ou cristais únicos

Trata-se de materiais em que a rede cristalina é contínua e ininterrupta ao longo de toda a amostra. Os átomos se posicionam regularmentede, de modo que se repetem abstratamente no macrocosmo.

Já os policristais têm cristalitos de tamanho e orientação variados, os monocristais portam um único grão, sendo conhecidos também como “cristais únicos”.

Esses cristais homogêneos e de grande pureza são essenciais p’ra constata as propriedades físicas dos materiais, sobretudo quando estão envoltas da supercondutividade, magnetismo, semicondutividade e outras tecnologias quânticas.

Existem várias técnicas para sintetizar monocristais, mas a mais utilizada é conhecida como CVT, sigla em inglês para transporte de vapor químico (Chemical Vapor Transport). O pesquisador Lucas Corrêa da USP de Lorena (SP) detalhou:

O método CVT convencional consiste em uma reação química na qual o composto reage com o agente químico formando um complexo volátil. Esse complexo desloca-se até outra região do aparato experimental, com temperatura diferente daquela da zona onde ocorreu a primeira reação química. E, por fim, é depositado em forma de monocristal. Para ocorrer o crescimento do monocristal, um gradiente de temperatura é de fundamental importância, pois é ele que cria o potencial termodinâmico necessário.

Gradiente químico

No processo criado, o gradiente térmico é substituído por um gradiente químico, o que simplifica e barateia muito a criação dos monocristais. Lucas destaca:

Na nova técnica, que chamamos de ‘transporte de vapor químico isotérmico’ [ICVT – Isothermal Chemical Vapor Transport], o crescimento ocorre sem a necessidade de um gradiente de temperatura.

Isso elimina a utilização de fornos de duas zonas, uma vez que o crescimento é isotérmico basta um forno simples. Além disso, não é necessário um ataque químico, pois a pastilha do material semente já serve como ponto de nucleação, o que simplifica o processo de crescimento.

Em um ambiente fechado, uma pastilha de material policristalino e um agente de transporte são postos em contato, em uma temperatura constante e suficientemente alta para que haja reação e formação de complexos gasosos. É razoável considerar que, no início, o agente de transporte reaja com a superfície do material policristalino, gerando um gradiente de potencial químico entre o interior dos grãos e a interface com a fase gasosa.

Devido a esse gradiente que se forma, o equilíbrio termodinâmico entre fase gasosa e fase sólida não pode ser obtido. Assim, uma vez que a fase gasosa se torna saturada – o que é facilitado pelo emprego de quantidades muito pequenas de agente de transporte -, o potencial químico da pastilha se torna menor que o do gás. Nesse ponto, passa a ocorrer uma inversão do fluxo de massa e a superfície da própria pastilha serve como ponto para a nucleação dos monocristais.

(a) Representação esquemática da célula unitária do composto ZrTe2, na qual as esferas vermelhas são átomos de zircônio e as esferas azuis átomos de telúrio.

Bi e tri-dimensionais

Embora o crescimento tenha sido obtido p’ra materiais quase bidimensionais (ZrTe2, TiTe2 e HfTe2), os pesquisadores creem que o novo método possa ser aplicado a outros sistemas, em condições termodinâmicas adequadas.

Particularmente o ZrTe2 (telureto de zircônio) apresenta supercondutividade e uma instabilidade, que compete com a supercondutividade, chamada onda de densidade de carga.

Além da perspectiva de aplicação em computação quântica, essas propriedades tornam tais materiais ricos para constatações de estados fundamentais da física do estado sólido.