Pesquisadores da Universidade Hebraica de Jerusalém, Stony Brook University, e o Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriram novos efeitos de um método importante para modular semicondutores. O método, que funciona criando espaços abertos ou "vagas" na estrutura de um material, permite que os cientistas sintonizem as propriedades eletrônicas dos nanocristais semicondutores (SCNCs) - partículas semicondutoras menores do que 100 nanômetros. Esta descoberta irá promover o desenvolvimento de novas tecnologias, como janelas inteligentes, que pode alterar a opacidade sob demanda.

Os cientistas usam uma técnica chamada "doping químico" para controlar as propriedades eletrônicas dos semicondutores. Nesse processo, impurezas químicas - átomos de diferentes materiais - são adicionadas a um semicondutor para alterar sua condutividade elétrica. Embora seja possível dopar SCNCs, é muito difícil devido ao seu tamanho minúsculo. A quantidade de impurezas adicionadas durante a dopagem química é tão pequena que, para dopar um nanocristal adequadamente, não mais do que alguns átomos podem ser adicionados ao cristal. Os nanocristais também tendem a expelir impurezas, complicando ainda mais o processo de dopagem.

Buscando controlar as propriedades eletrônicas dos SCNCs com mais facilidade, os pesquisadores estudaram uma técnica chamada formação de vagas. Neste método, impurezas não são adicionadas ao semicondutor; em vez de, vacâncias em sua estrutura são formadas por reações de oxidação-redução (redox), um tipo de reação química em que os elétrons são transferidos entre dois materiais. Durante esta transferência, um tipo de doping ocorre como elétrons ausentes, chamados buracos, tornam-se livres para se mover por toda a estrutura do cristal, alterando significativamente a condutividade elétrica do SCNC.

"Também identificamos os efeitos do tamanho na eficiência da reação de dopagem de formação de vacância, "disse Uri Banin, nanotecnologista da Universidade Hebraica de Jerusalém. "A formação de vagas é realmente mais eficiente em SCNCs maiores."

Neste estudo, os pesquisadores investigaram uma reação redox entre nanocristais de sulfeto de cobre (o semicondutor) e iodo, um produto químico introduzido a fim de influenciar a ocorrência da reação redox.

"Se você reduzir o sulfeto de cobre, você vai puxar o cobre do nanocristal, gerando vagas e, portanto, buracos, "disse Anatoly Frenkel, um químico do Laboratório Nacional de Brookhaven tendo um compromisso conjunto com a Stony Brook University, e o principal pesquisador Brookhaven neste estudo.

Os pesquisadores usaram a difração de pó de raios-X (XPD) na National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - um DOE Office of Science User Facility - para estudar a estrutura do sulfeto de cobre durante a reação redox. Ao projetar raios-x ultrabrilhantes em suas amostras, os pesquisadores são capazes de determinar a quantidade de cobre retirada durante a reação redox.

Com base em suas observações no NSLS-II, a equipe confirmou que adicionar mais iodo ao sistema causou a liberação de mais cobre e a formação de mais vagas. Isso estabeleceu que a formação de vagas é uma técnica útil para ajustar as propriedades eletrônicas de SCNCs.

Ainda, os pesquisadores precisavam descobrir o que exatamente estava acontecendo com o cobre quando saiu do nanocristal. Compreender como o cobre se comporta após a reação redox é crucial para implementar esta técnica na tecnologia de janela inteligente.

"Se o cobre desaparecer incontrolavelmente, não podemos puxá-lo de volta para o sistema, "Frenkel disse." Mas suponha que o cobre que é retirado do cristal esteja pairando ao redor, pronto para voltar. Usando o processo reverso, podemos colocá-lo de volta no sistema, e podemos fazer um dispositivo que seja fácil de mudar de um estado para o outro. Por exemplo, você seria capaz de alterar a transparência de uma janela sob demanda, dependendo da hora do dia ou do seu humor. "

Para entender o que estava acontecendo com o cobre, os pesquisadores usaram espectroscopia de estrutura fina de absorção de raios-x (XAFS) na Advanced Photon Source (APS) - também um DOE Office of Science User Facility - no Argonne National Laboratory. Esta técnica permite aos pesquisadores estudar os complexos de cobre extremamente pequenos que a difração de raios-X não consegue detectar. O XAFS revelou que o cobre se combinava com o iodo para formar iodo de cobre, um resultado positivo que indica que o cobre pode ser colocado de volta no nanocristal e que os pesquisadores têm total controle das propriedades eletrônicas.