Un nuevo método de producción de monocristales encamina el estudio de la física del estado sólido

Es una técnica alternativa diseñada por investigadores de la Universidad de São Paulo, en Brasil, y podrá contribuir al desarrollo de la computación cuántica

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Los monocristales son materiales en los cuales la red cristalina aparece en forma continua e ininterrumpida a lo largo de toda la muestra. Los átomos ocupan posiciones regulares, que se repiten indefinidamente en el espacio. Mientras que los policristales están compuestos por muchos cristalitos de diversos tamaños y orientaciones variadas, los monocristales constituyen un único grano.

La disponibilidad de monocristales de alta calidad es sumamente importante en el estudio de las propiedades físicas intrínsecas de los materiales. Y existen diversas técnicas para sintetizarlos. A la que más se utiliza para promover el crecimiento de monocristales de compuestos intermetálicos se la conoce con el nombre de CVT, las siglas formadas por las iniciales de la expresión en inglés chemical vapor transport (transporte de vapor químico).

Un equipo encabezado por investigadores de la Escuela de Ingeniería de Lorena de la Universidad de São Paulo (EEL-USP), en Brasil, concibió y puso a prueba experimentalmente con éxito una técnica alternativa. Y el artículo que alude a este experimento salió publicado en el periódico científico Journal of Crystal Growth.

“El método CVT convencional consiste en una reacción química en la cual el compuesto reacciona con el agente químico formando un complejo volátil. Este complejo se desplaza hasta otra área de la estructura experimental a una temperatura distinta a aquella de la zona en donde se produjo la primera reacción química. Al final, queda depositado en forma de monocristal. Para que se produzca el crecimiento de este monocristal, un gradiente de temperatura es de fundamental importancia, pues el mismo genera el potencial termodinámico necesario. Con esta nueva técnica, a la que denominamos ‘transporte de vapor químico isotérmico’ [isothermal chemical vapor transport, ICVT], el crecimiento se produce sin necesidad de contar un gradiente de temperatura”, dice el primer autor del artículo, Lucas Eduardo Corrêa.

El estudio mencionado forma parte de la investigación doctoral de Corrêa, realizada bajo la dirección del profesor Antonio Jefferson da Silva Machado y con el apoyo de la FAPESP.

“En el método que desarrollamos, el gradiente del potencial químico es la fuerza motriz del crecimiento del monocristal”, afirma el profesor Da Silva Machado, quien coordinó el estudio y también firma el artículo.

Y también explica: “En un ambiente cerrado, se ponen en contacto una pastilla de material policristalino y un agente de transporte a una temperatura constante y lo suficientemente alta como para que se concreten una reacción y la formación de complejos gaseosos. Resulta razonable suponer que, de entrada, el agente de transporte reacciona con la superficie del material policristalino y genera un gradiente de potencial químico entre el interior de los granos y la interfaz con la fase gaseosa. A causa de ese gradiente que se forma, no puede obtenerse el equilibrio termodinámico entre la fase gaseosa y la fase sólida. Por eso, una vez que la fase gaseosa se satura –lo que se ve facilitado por el empleo de cantidades muy pequeñas del agente de transporte–, el potencial químico de la pastilla se vuelve menor que el del gas. En este punto, comienza a concretarse una inversión del flujo de masa y la superficie de la propia pastilla sirve como punto para la nucleación de los monocristales [véase la figura 1]”.

Según los investigadores, pueden plantearse algunos puntos favorables al proceso de crecimiento isotérmico en comparación con el proceso CVT convencional. En primer lugar, no hay necesidad de utilizar hornos de dos zonas, toda vez que el crecimiento es isotérmico, es decir, que la temperatura se mantiene igual y constante en toda la estructura experimental. En general, el crecimiento puede lograrse mediante el empleo de un horno simple y bien homogéneo. En segundo lugar, no hay necesidad de efectuar un ataque químico al tubo, toda vez que la pastilla hace las veces de punto de nucleación, lo que simplifica el proceso de crecimiento.

“Es importante remarcar que la calidad cristalográfica de los cristales obtenidos es muy alta, sin existencia de cristales germinados. De esta forma, el proceso de crecimiento isotérmico constituye una versión simplificada del proceso convencional de CVT, que hace posible el crecimiento de cristales con tamaños muy superiores a los del proceso convencional CVT”, subraya Corrêa.

Si bien el crecimiento se obtuvo para materiales tales como ZrTe₂, TiTe₂ y HfTe₂, que son cuasi bidimensionales, los científicos creen que este nuevo método puede aplicarse a otros sistemas en las condiciones termodinámicas adecuadas.

“El interés en los materiales referidos reside en el hecho de que poseen un gap entre los átomos de telurio [véase la representación esquemática en la figura a]. Ese gap permite que puedan intercalarse en el material otros átomos u otras moléculas. Efectivamente, el compuesto ZrTe₂ exhibe en su estructura electrónica una topología no trivial. Descubrimos que la intercalación de níquel [Ni] en ese gap induce un comportamiento superconductor con temperatura crítica cercana a los 4,0 K [figura b]”, informa Da Silva Machado.

El profesor añade que aparte del estado superconductor, también puede observarse en el material otra inestabilidad que compite con la superconductividad, denominada CDW (las siglas en inglés de onda de densidad de carga). Aparte de la perspectiva de aplicación en computación cuántica, estas propiedades dotan a estos materiales de un gran valor para el estudio de estados fundamentales de la física del estado sólido. Los investigadores pusieron a prueba otras intercalaciones que encuentran en curso en el desarrollo de la tesis doctoral de Corrêa.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Growth of pure and intercalated ZrTe₂, TiTe₂ and HfTe₂ dichalcogenide single crystals by isothermal chemical vapor transport en el siguiente enlace: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022024822003050.