Artigo em destaque: Fita adesiva para ajudar a desvendar segredos dos isolantes topológicos.



O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Preservation of pristine Bi2Te3 thin film topological insulator surface after ex situ mechanical removal of Te capping layer. C. I. Fornari, P. H. O. Rappl, S. L. Morelhão, T. R. F. Peixoto, H. Bentmann, F. Reinert, and E. Abramof. APL Materials, volume 4, issue 10 (2016). doi 10.1063/1.4964610. Link para o artigo: http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4964610

Fita adesiva para ajudar a desvendar segredos dos isolantes topológicos

Uma pesquisa liderada por pesquisadores do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) faz uma contribuição muito útil para continuar avançando na compreensão dos isolantes topológicos – materiais descobertos há cerca de uma década, cujas características os tornam promissores para uso em computadores quânticos e outras aplicações. A pesquisa foi reportada em um artigo recentemente publicado no periódico APL Materials.

A ideia de fazer a pesquisa surgiu no ano 2009, quando foi publicada a confirmação de que o telureto de bismuto (Bi2Te3) é um isolante topológico tridimensional, ou seja, um material isolante no volume com robustos estados condutores na superfície. O telureto de bismuto tinha sido predito teoricamente como isolante topológico tridimensional em 2007. A confirmação experimental veio a partir da observação de seus estados topológicos de superfície por meio de uma técnica conhecida como ARPES (espectroscopia de fotoemissão resolvida em ângulo).

Na montagem, fotos dos autores do artigo. Começando pela esquerda do leitor: Celso Fornari, Paulo Rappl, Sérgio Morelhão, Thiago Peixoto, Hendrik Bentmann, Friedrich Reinert e Eduardo Abramof.
Na montagem, fotos dos autores do artigo. Começando pela esquerda do leitor: Celso Fornari, Paulo Rappl, Sérgio Morelhão, Thiago Peixoto, Hendrik Bentmann, Friedrich Reinert e Eduardo Abramof.

Foi então que a equipe de pesquisadores do INPE decidiu estudar as propriedades do telureto de bismuto por ARPES. Eles viram a possibilidade de iniciar a pesquisa com um equipamento disponível no Laboratório Associado de Sensores e Materiais (LAS) do INPE, com o qual poderiam começar as investigações sobre a fabricação do isolante topológico sem precisar de novos investimentos. “O equipamento de epitaxia por feixe molecular (MBE) instalado no LAS/INPE é dedicado ao crescimento de compostos IV-VI e possui uma fonte carregada com a liga Bi2Te3, que é usada para dopar estes compostos”, explica Celso Israel Fornari, que assina o artigo da APL Materials como autor correspondente.

O trabalho foi realizado dentro do doutorado de Fornari, iniciado em 2013 e ainda em andamento, com orientação dos pesquisadores Eduardo Abramof  e Paulo Henrique de Oliveira Rappl, e com financiamento do CNPq e da FAPESP.

A equipe sabia que, para analisar as amostras, deveria superar um desafio inerente aos isolantes topológicos: em contato com o ar, a superfície desses materiais oxida rapidamente, mudando suas propriedades e impedindo que sejam realizadas com sucesso as análises de superfície, que são essenciais para confirmar os estados topológicos condutores. Perante essa limitação, apenas seria possível realizar análises in situ (aquelas que são feitas no mesmo ambiente da fabricação; neste caso, acoplando, por meio de linhas de ultra-alto vácuo um sistema de caracterização de superfície ao sistema de fabricação). Contudo, as análises in situ, além de limitarem as possibilidades de estudo do material, não eram possíveis dentro do trabalho de doutorado de Celso Fornari, já que ele contemplava a realização de medições por ARPES, por exemplo, na Alemanha, na Universidade de Würzburg.

Imagem de MEV-FEG do corte transversal de uma amostra de telureto de bismuto protegida com uma capa de telúrio amorfo. Adaptada de imagem do artigo da APL Mat. [http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4964610] sob licença CC BY 4.0 [https://creativecommons.org/licenses/by/4.0]
Imagem de MEV-FEG do corte transversal de uma amostra de telureto de bismuto protegida com uma capa de telúrio amorfo. Adaptada de imagem do artigo da APL Mat. [http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4964610] sob licença CC BY 4.0 [https://creativecommons.org/licenses/by/4.0]
A literatura científica apontava também outros caminhos para driblar a limitação, seja no sentido de proteger os isolantes topológicos da oxidação por meio de revestimentos, quer no sentido de remover a camada de óxido depois de formada. Entretanto, todos os métodos acabavam provocando distorções na amostra em termos de espessura, morfologia da superfície e composição do material.

Assim, a equipe teve que desenvolver um método para proteger a superfície do isolante topológico, garantindo ao mesmo tempo a integridade das amostras. A técnica desenvolvida pelos pesquisadores do INPE consiste em depositar, a temperatura ambiente, uma camada de telúrio amorfo, logo após o crescimento do telureto de bismuto.

Dessa maneira, na primeira etapa do projeto, a equipe fabricou, cuidadosamente, filmes de telureto de bismuto de espessura variando entre 8 e 170 nm, e revestiu alguns deles com camadas protetoras de telúrio amorfo de 100 a 200 nm de espessura. As amostras foram caracterizadas por meio de diversas técnicas experimentais para analisar os substratos, os filmes e as camadas protetoras. Particularmente, a equipe do INPE, junto ao professor Luiz Morelhão, do Instituto de Física da USP, analisou a estrutura das amostras por meio de difração de raios X no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS). Morelhão também colaborou com a equipe do INPE no desenvolvimento de um modelo computacional para simular as curvas de difração de raios X. “Essas análises foram fundamentais para identificar as condições ideais de crescimento do telureto de bismuto”, comenta Fornari.

Num segundo momento, a equipe enfrentou mais um desafio no desenvolvimento do método de proteção dos filmes. De fato, na Alemanha, a camada protetora deveria ser retirada das amostras sem distorcer o isolante topológico para poder realizar as análises de superfície.  Seguindo um método que já era praticado por outros cientistas, os pesquisadores do INPE planejaram, inicialmente, sublimar a camada protetora dentro do ambiente de ultra-alto vácuo do equipamento de ARPES.

Método de remoção da camada protetora. Adaptação de imagem do artigo da APL Mat. [http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4964610] sob licença CC BY 4.0 [https://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Método de remoção da camada protetora. Adaptação de imagem do artigo da APL Mat. [http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4964610] sob licença CC BY 4.0 [https://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Todavia, uma descoberta feita por acaso mudou os planos da equipe. “Duas semanas antes de ir para a Alemanha, durante as últimas caracterizações estruturais das amostras, nós percebemos que, ao retirar as amostras do equipamento de difração de raios X, a fita adesiva utilizada para fixação estava removendo parte da camada protetora”, conta Fornari. Foi então que surgiu a ideia de utilizar uma fita adesiva comum para arrancar completamente a camada protetora do filme de telureto de bismuto, procedimento que ainda teria a vantagem de não exigir a instalação de ferramentas especiais no sistema de análise.

Nesse procedimento, a amostra é colada a um porta-amostras e uma fita adesiva é colada à camada protetora. A remoção pode ser realizada puxando a fita ou movimentando o porta-amostras, como mostra o diagrama à direita.

O método de deposição e posterior remoção de camada protetora desenvolvido pela equipe do INPE deu muito certo. A camada protetora de telúrio preservou da oxidação e contaminação as amostras de telureto de bismuto durante cerca de três meses na sua travessia oceânica e terrestre. A remoção da camada com fita adesiva, feita dentro da câmara de ultra-alto vácuo do equipamento de ARPES, pôde ser feita sem gerar distorções na espessura, morfologia ou composição dos filmes, e, portanto, nas suas propriedades.

Imagens de microscopia de força atômica (AFM) da superfície de filmes de telureto de bismuto de 25 nm de espessura. À esquerda, um filme que foi protegido e teve a camada protetora removida pelo método desenvolvido pelos pesquisadores do INPE. À direita, um filme que não foi revestido. A comparação das imagens mostra que a superfície do filme foi completamente preservada depois da remoção da camada protetora. (Adaptação de imagem publicada no artigo da APL Mat. [http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4964610] sob licença CC BY 4.0 [https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/])
Imagens de microscopia de força atômica (AFM) da superfície de filmes de telureto de bismuto de 25 nm de espessura. À esquerda, um filme que foi protegido e teve a camada protetora removida pelo método desenvolvido pelos pesquisadores do INPE. À direita, um filme que não foi revestido. A comparação das imagens mostra que a superfície do filme foi completamente preservada depois da remoção da camada protetora. (Adaptação de imagem publicada no artigo da APL Mat. [http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4964610] sob licença CC BY 4.0 [https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/])
Assim, as medições pela técnica de ARPES foram feitas sem inconvenientes na Universidade de Würzburg, sob supervisão do professor Friedrich Reinert e com auxílio dos pesquisadores Thiago R. F. Peixoto e Hendrik Bentmann. As análises evidenciaram o comportamento isolante no volume e condutor na superfície do telureto de bismuto a e robustez dos filmes.

“Esta foi a primeira observação experimental de filmes de telureto de bismuto com comportamento isolante intrínseco que foram analisados ex situ”, afirma Fornari. “Até o momento só haviam sido reportados filmes com comportamento isolante intrínseco crescidos e analisados dentro do mesmo sistema de vácuo (in situ)”, completa.

De acordo com Fornari, os resultados obtidos em relação ao método de deposição e remoção da camada protetora apontam que ele poderia ser aplicado a outros materiais isolantes topológicos, além do telureto de bismuto. Uma boa notícia para os estudiosos desses materiais, muito promissores para uso em computação quântica e spintrônica, desejosos de avançar na compreensão de suas propriedades, que ganharam destaque em 2016 com o Prêmio Nobel de Física. Boa notícia também para a sociedade em geral, que provavelmente usufruirá de suas aplicações.

 


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