Novo método para produção de monocristais abre caminho para o estudo da física do estado sólido

Técnica alternativa foi criada na Escola de Engenharia de Lorena da USP e poderá contribuir para o desenvolvimento da computação quântica

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Monocristais são materiais em que a rede cristalina é contínua e ininterrupta ao longo de toda a amostra. Os átomos ocupam posições regulares, que se repetem indefinidamente no espaço. Enquanto os policristais são compostos por muitos cristalitos de tamanho e orientação variados, os monocristais constituem um único grão.

A disponibilidade de monocristais de alta qualidade é muito importante para o estudo das propriedades físicas intrínsecas dos materiais. E existem várias técnicas para sintetizá-los. A mais utilizada para promover o crescimento de monocristais de compostos intermetálicos é conhecida como CVT, sigla formada pelas iniciais da expressão em inglês chemical vapor transport (transporte de vapor químico).

Uma técnica alternativa foi concebida e experimentada com sucesso por pesquisadores da Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo (EEL-USP) e colaboradores de outras instituições. Artigo a respeito foi publicado no periódico Journal of Crystal Growth.

“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. Na nova técnica, que chamamos de ‘transporte de vapor químico isotérmico’ [isothermal chemical vapor transport, ICVT], o crescimento ocorre sem a necessidade de um gradiente de temperatura”, diz o primeiro autor do artigo, Lucas Eduardo Corrêa.

O estudo em pauta faz parte da pesquisa de doutorado de Corrêa, orientada pelo professor Antonio Jefferson da Silva Machado e apoiada por bolsa da FAPESP.

“No método que desenvolvemos, o gradiente do potencial químico é a força motriz do crescimento do monocristal”, afirma o professor Machado, que coordenou o estudo e também assina o artigo.

Ele explica: “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 [ver figura 1]”.

Segundo os pesquisadores, alguns pontos podem ser levantados a favor do processo de crescimento isotérmico comparado ao processo CVT convencional. Em primeiro lugar, não há necessidade de utilização de fornos de duas zonas, uma vez que o crescimento é isotérmico – isto é, que a temperatura se mantém a mesma e constante em todo o aparato experimental. De modo geral, o crescimento pode se dar com o uso de um forno simples e bem homogêneo. Em segundo lugar, não há necessidade de ataque químico ao tubo, uma vez que a pastilha já serve como ponto de nucleação, o que simplifica o processo de crescimento.

“É importante ressaltar que a qualidade cristalográfica dos cristais obtidos é muito alta, sem a ocorrência de cristais germinados. Dessa forma, o processo de crescimento isotérmico é uma versão simplificada do processo convencional de CVT, que permite crescimento de cristais com tamanhos muito superiores aos do processo convencional CVT”, sublinha Corrêa.

Embora o crescimento tenha sido obtido para materiais como ZrTe2, TiTe2 e HfTe2, que são quase bidimensionais, os pesquisadores acreditam que o novo método possa ser aplicado a outros sistemas, em condições termodinâmicas adequadas.

“O interesse nos materiais referidos reside no fato que eles possuem um gap entre os átomos de telúrio [veja a representação esquemática na figura 2 a]. Esse gap permite que outros átomos ou moléculas possam ser intercalados no material. De fato, o composto ZrTe2 exibe, em sua estrutura eletrônica, uma topologia não trivial. Descobrimos que a intercalação de níquel [Ni] nesse gap induz um comportamento supercondutor com temperatura crítica próxima de 4,0 K [figura 2 b]”, informa Machado.

O professor acrescenta que, além do estado supercondutor, também pode ser observada no material outra instabilidade, que compete com a supercondutividade, chamada de CDW (sigla em inglês para onda de densidade de carga). Além da perspectiva de aplicação em computação quântica, essas propriedades tornam tais materiais ricos para o estudo de estados fundamentais da física do estado sólido. Outras intercalações foram testadas pelos pesquisadores e estão em andamento no desenvolvimento da tese de doutoramento de Corrêa.

O artigo Growth of pure and intercalated ZrTe2, TiTe2 and HfTe2 dichalcogenide single crystals by isothermal chemical vapor transport pode ser acessado em: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022024822003050.