Pesquisadores do Instituto de Física do Estado Sólido mapeiam uma abordagem radicalmente nova para projetar propriedades ópticas e eletrônicas de materiais em Materiais avançados .

O design de materiais computacionais é tradicionalmente usado para melhorar e desenvolver materiais já existentes. As simulações permitem uma visão profunda dos efeitos da mecânica quântica que determinam as propriedades dos materiais. Egbert Zojer e sua equipe do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Graz dão um passo decisivo além disso:eles usam simulações de computador para propor um conceito inteiramente novo para o controle das propriedades eletrônicas dos materiais. Influências potencialmente perturbadoras decorrentes do arranjo regular dos elementos polares, os chamados efeitos eletrostáticos coletivos, são usados ​​pelo grupo de pesquisa para manipular intencionalmente as propriedades dos materiais. Que esta abordagem radicalmente nova também funciona para materiais tridimensionais foi demonstrado pela equipe de Graz em Materiais avançados , que segundo o Google Scholar é internacionalmente o periódico mais importante na área de pesquisa de materiais.

Manipulação da paisagem de materiais energéticos

"A abordagem básica do conceito de design eletrostático é modificar os estados eletrônicos dos semicondutores por meio do arranjo periódico de grupos dipolares. Dessa forma, somos capazes de manipular localmente os níveis de energia de forma controlada. Ao fazer isso, não tentamos encontrar maneiras de contornar tais efeitos, que são inevitáveis, especialmente nas interfaces. Em vez, fazemos uso deliberado deles para nossos próprios fins, "explica Egbert Zojer.

Este tópico já está no foco da pesquisa do grupo Zojer há algum tempo. A primeira etapa foi o projeto eletrostático de monocamadas moleculares, por exemplo, em eletrodos de ouro. Experimentos mostraram que as mudanças de energia previstas dentro das camadas realmente ocorrem e que o transporte de carga através das monocamadas pode ser deliberadamente modulado. Também, os estados eletrônicos de materiais bidimensionais, como o grafeno, pode ser controlado por meio de efeitos eletrostáticos coletivos. Na publicação em Materiais avançados , estudante de doutorado Veronika Obersteiner, Egbert Zojer e outros colegas da equipe demonstram todo o potencial do conceito estendendo-o a materiais tridimensionais.

"Para o exemplo de redes orgânicas covalentes tridimensionais, mostramos como - por meio de efeitos eletrostáticos coletivos - a paisagem de energia dentro do material tridimensional a granel pode ser manipulada de modo que caminhos espacialmente confinados para elétrons e lacunas possam ser realizados. Desta forma, as operadoras de cobrança podem, por exemplo, ser separados e as propriedades eletrônicas do material podem ser projetadas conforme desejado, "diz Zojer.

O conceito é especialmente interessante para células solares. Em células solares orgânicas clássicas, blocos de construção quimicamente diferentes, os chamados doadores e aceitadores, são usados ​​para separar os pares elétron-buraco fotogerados. Na abordagem proposta aqui, a mudança local necessária dos níveis de energia ocorre devido ao arranjo periódico dos grupos polares. As áreas semicondutoras nas quais os elétrons e buracos são deslocados são quimicamente idênticas. "Desta maneira, podemos fazer o ajuste fino quase contínuo e eficiente dos níveis de energia, variando a densidade do dipolo. Este trabalho é o clímax de nossa pesquisa intensiva sobre o design eletrostático de materiais, "diz Zojer.

O projeto eletrostático em sistemas 3-D também pode permitir a realização de estruturas quânticas complexas, como cascatas quânticas e tabuleiros quânticos. "Somente a imaginação do designer de materiais pode definir limites para o nosso conceito, "diz Zojer.