Cientistas russos da Universidade Federal de Ural (UrFU), juntamente com seus colegas do Instituto de Metal Física do Departamento de Ural da Academia Russa de Ciências, estudaram características fundamentais de nanocristais de óxido de níquel e encontraram excitons na borda de absorção de luz pela primeira vez. Um exciton é um par elétron-buraco ligado com acoplamento eletrostático que migra em um cristal e transmite energia dentro dele. A presença de um exciton nesta área permite uma pesquisa detalhada dos parâmetros de borda em faixas de energia permitidas. Isso pode ser útil para o desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos de próxima geração. Os resultados do estudo foram publicados em Physica B:Física da Matéria Condensada Diário.

Líquidos e (sob certas circunstâncias) gases são divididos em condutores e dielétricos. O primeiro conduz eletricidade, e o último, respectivamente, não. Os semicondutores estão entre essas duas categorias - a condutividade ocorre devido ao movimento de elétrons carregados e buracos dentro do cristal. Eles são encontrados em sistemas com impurezas que podem liberar ou receber elétrons, bem como após irradiação com luz de alta energia.

"Na física dos semicondutores, há uma noção de borda de adsorção fundamental que indicava a energia do nível da borda da adsorção de luz. Corresponde à lacuna de energia - a área de energias que um elétron tem que passar no curso do movimento sob a influência da luz da banda de valência (onde geralmente está localizado) para a banda de condutividade. Um espaço vazio com carga positiva que ocorre neste local é chamado de buraco. Sua interação eletrostática (Coulombic) com o elétron na banda de condução causa a formação de um par elétron-buraco, ou e exciton. No espectro óptico, pode ser visto como uma linha estreita um pouco abaixo da borda de adsorção fundamental. Notavelmente, um exciton não participa da condutividade elétrica, mas transfere a energia absorvida, "diz Anatoly Zatsepin, um co-autor do artigo, e chefe de um laboratório científico da UrFU.

A energia da ligação de exciton é muito baixa, portanto, a temperatura deve ser baixa para registrá-los. Depois de ser irradiado com luz de comprimento de onda curto, um par elétron-buraco entra em colapso quando a excitação é muito alta. A energia excessiva também é liberada na forma de radiação, e seu espectro pode ser registrado. É assim que os excitons foram encontrados em cristais nanométricos de óxido de níquel. Um sistema como este é altamente correlacionado, ou seja, a interação entre suas partes é muito forte. A equipe de pesquisa estudou a borda de adsorção fundamental em baixas temperaturas e encontrou linhas nas quais a intensidade diminuía com o aumento da temperatura.

Esses fatos, bem como os valores de energia, indicam sua natureza exciton. Os cientistas também estudaram as características fundamentais dos nanocristais de óxido de magnésio com pequenas misturas de níquel. Nesse caso, excitons formados na transição do elétron (e, portanto, da carga negativa) da banda de valência do componente principal para a área de mistura. O buraco foi delimitado por um campo eletrostático gerado pelo elétron. A detecção de excitons é uma ferramenta sensível para estudar a complicada estrutura da área de fronteira entre a banda de valência e a banda de condutividade em semicondutores.

"Encontramos pela primeira vez excitons com transferência de carga no limite da adsorção fundamental em óxido de níquel e na borda de adsorção de impureza em óxido de magnésio. Esses resultados podem ser do interesse de especialistas em física teórica que estudam a estrutura de bandas de óxidos com fortes correlações. NiO tem sido considerado um protótipo de tais óxidos por muito tempo, e muitos esquemas de cálculo foram testados usando este objeto. Os resultados também podem ser relevantes para o desenvolvimento de novos dispositivos optoeletrônicos, "diz Anatoly Zatsepin.