O projeto temático da FAPESP 2022/12929-3 entitulado “On-surface synthesis of tunable single layer low dimensional materials: understanding their chemical integrity, vibronic, electronic, and spin properties” está sendo financiado dentro da chamada Acordos de Cooperação entre a FAPESP e a Swiss National Science Foundation (SNSF). O projeto visa investigar montagens supramoleculares e reativas de redes/cadeias moleculares em superfície com diferentes ligantes químicos controlando a estrutura e a topologia do sistema nanoestruturado. Além da montagem reativa, investigaremos o surgimento de estados cooperativos de elétrons e de spins. Eles são sistemas modelo ideais para obter uma visão mais profunda da correlação estrutura-propriedade de folhas, redes e cadeias isoladas e sua interação eletrônica/spin com substratos. Para atingir esses objetivos, o consórcio combinará técnicas de microscopia/espectroscopia de sonda local (resolução atômica e de ligações moleculares únicas) e espectroscopia baseada em síncrotron, por exemplo, espectroscopias de fotoelétron e absorção de raios-X, para investigar a montagem e a síntese química sobre superfícies. O consorcio internacional envolve instituições no Brasil (UNICAMP, CNPEM, UFABC) e no exterior (Suíça, Emirados Árabes, Equador).
Neste sentido, a FAPESP financiou um novo laboratório (multiusuário) – O Laboratório de Superfícies – SPM. O principal equipamento deste laboratório será um sistema de microscopia de ponta de prova (Scanning Probe Microscopy – SPM) único, até o momento, no hemisfério sul do planeta. O equipamento operará em ambiente de ultra-alto vácuo ~10^(-11) mbar e baixas temperaturas – LT (~ 6K). Um ponto crucial deste equipamento é que o regime de LT será produzido utilizando um criostato de circuito fechado (mínimo consumo de He líquido), podendo operar em regime 24×7 e 365 dias no ano. O mesmo permitirá o crescimento das amostras in-situ via evaporação térmica e e-beam de átomos de moléculas. Este também permitirá ou tratamento de amostras produzidas externamente em condições específicas. Outra especificidade única do equipamento será a combinação de três técnicas no estado da arte em microscopia de SPM em um único equipamento. 1) STM – microscopia de tunelamento de eletrons, permitindo estudar a densidade eletrônica de estados local (LDOS) com resolução atômica, além de manipulação atômica, em superfícies condutoras ou semicondutoras. 2) nc-AFM – microscopia AFM de não contato, que permite investigar superfícies condutoras e não condutoras. Com o artifício de funcionalização da ponta com uma molécula de CO (monôxido de carbono) é possível resolver ligações químicas únicas, revelando detalhes moleculares não acessíveis com outras técnicas. 3) TERS- tip enhanced Raman spectroscopy. Neste caso, uma ponta de Ag ou Au, funcionará como uma antena plasmônica que amplifica o sinal de espalhamento Raman por um fator ~10.000 em uma região diminuta sob a ponta (< 0.5 nm^2). Neste caso será possível combinar a resolução espacial com uma espectroscopia vibracional e química (Raman) identificando grupos funcionais, estados vibracionais, com resolução sub-nanométrica (atômica!).
Este novo equipamento abre uma nova fronteira na pesquisa de física e química de superfícies, em particular para materiais planos 2D, 1D, ou mesmo 0D (defeitos pontuais). Alguns exemplos de estudos que poderão ser abordados são: a síntese de novos alótropos de carbono (novas moléculas), catálise, formação de redes artificiais de spin, desvendar os mecanismos de fotossíntese artificial para produção de energia (H2 verde), estudar os mecanismos de recombinação e emissão de luz em defeitos pontuais em semicondutores 2D, entre outros. Este novo laboratório permitirá estudar novos materiais e novos fenômenos físicos/químicos restritos à superfícies. Em particular este equipamento permitirá a formação de alunos de pós-graduação em um nível de excelência internacional, incluindo o intercambio com pesquisadores e alunos de outras instituições nacionais e internacionais vinculadas ao projeto.
