p Imagine imprimir dispositivos eletrônicos usando uma impressora jato de tinta simples - ou até mesmo pintar um painel solar na parede de um edifício. p Essa tecnologia reduziria o custo de fabricação de dispositivos eletrônicos e possibilitaria novas maneiras de integrá-los em nossa vida cotidiana. Nas últimas duas décadas, um tipo de material chamado semicondutores orgânicos, feito de moléculas ou polímeros, foi desenvolvido para tais fins. Mas algumas propriedades desses materiais representam um grande obstáculo que limita seu uso generalizado.

p “Nestes materiais, um elétron é geralmente ligado a sua contraparte, um elétron ausente conhecido como 'buraco, 'e não pode se mover livremente, "disse Wai-Lun Chan, professor associado de física e astronomia da Universidade de Kansas. "Os chamados 'elétrons livres, 'que vagueiam livremente no material e conduzem eletricidade, são raros e não podem ser gerados prontamente pela absorção de luz. Isso impede o uso desses materiais orgânicos em aplicações como painéis solares, porque os painéis construídos com esses materiais costumam ter baixo desempenho. "

p Por causa desse problema, Chan disse que "liberar os elétrons" tem sido um foco no desenvolvimento de semicondutores orgânicos para células solares, sensores de luz e muitas outras aplicações optoeletrônicas.

p Agora, dois grupos de pesquisa de física na KU, liderado por Chan e Hui Zhao, professor de física e astronomia, efetivamente geraram elétrons livres de semicondutores orgânicos quando combinados com uma única camada atômica de dissulfeto de molibdênio (MoS ₂ ), um semicondutor bidimensional (2-D) descoberto recentemente.

p A camada 2-D introduzida permite que os elétrons escapem dos "buracos" e se movam livremente. Os resultados acabam de ser publicados no Journal of American Chemical Society , um jornal líder em química e áreas de interface da ciência.

p Nos últimos anos, muitos pesquisadores têm investigado como cargas gratuitas podem ser geradas de forma eficaz a partir de interfaces híbridas orgânico-2-D.

p "Uma das suposições predominantes é que os elétrons livres podem ser gerados a partir da interface, desde que os elétrons possam ser transferidos de um material para outro em um período de tempo relativamente curto - menos de um trilionésimo de segundo, "Disse Chan." No entanto, meus alunos de pós-graduação Tika Kafle e Bhupal Kattel e eu descobrimos que a presença da transferência ultrarrápida de elétrons por si só não é suficiente para garantir a geração de elétrons livres a partir da absorção de luz. Isso porque os 'buracos' podem impedir que os elétrons se afastem da interface. Se o elétron pode ficar livre dessa força de ligação depende do cenário de energia local próximo à interface. "

p Chan disse que a paisagem energética dos elétrons pode ser vista como um mapa topográfico de uma montanha.

p "Um caminhante escolhe seu caminho com base no mapa de contorno de altura, "disse ele." Da mesma forma, o movimento do elétron na interface entre os dois materiais é controlado pela paisagem de energia do elétron perto da interface. "

p As descobertas de Chan e Zhao ajudarão a desenvolver princípios gerais de como projetar a "paisagem" para liberar os elétrons em tais materiais híbridos.

p A descoberta foi feita combinando duas ferramentas experimentais altamente complementares baseadas em lasers ultrarrápidos, espectroscopia de fotoemissão com resolução temporal no laboratório de Chan e absorção óptica transitória no laboratório de Zhao. Ambas as configurações experimentais estão localizadas no porão do Integrated Science Building.

p No experimento de espectroscopia de fotoemissão resolvida no tempo, Kafle usou um pulso de laser ultracurto que só existe por 10 quatrilionésimos (10-14) de segundo para disparar o movimento dos elétrons. A vantagem de usar um pulso tão curto é que o pesquisador sabe exatamente o horário de início da jornada do elétron. Kafle então usou outro pulso de laser ultracurto para atingir a amostra novamente em um tempo precisamente controlado em relação ao primeiro pulso. Este segundo pulso é energético o suficiente para expulsar esses elétrons da amostra. Medindo a energia desses elétrons (agora no vácuo) e usando o princípio de conservação de energia, os pesquisadores foram capazes de descobrir a energia dos elétrons antes de serem expulsos e, assim, revelar a jornada desses elétrons desde que foram atingidos pelo primeiro pulso. Essa técnica resolveu a energia dos elétrons excitados à medida que se movia pela interface após a absorção da luz. Como apenas elétrons perto da superfície frontal da amostra podem ser liberados pelo segundo pulso, a posição do elétron em relação à interface também é revelada com precisão atômica.

p Nas medições de absorção óptica transitória, Peng Yao (um estudante visitante) e Peymon Zereshki graduado pela KU, ambos supervisionados por Zhao, também usou uma técnica de dois pulsos, com o primeiro pulso iniciando o movimento do elétron da mesma maneira. Contudo, em suas medidas, the second pulse does the trick of monitoring electrons by detecting the fraction of the second pulse that is reflected from the sample, instead of kicking out the electrons.

p "Because light can penetrate a longer distance, the measurement can probe electrons in the entire depth of the sample and therefore provide complementary information to the first techniques that are more 'surface sensitive, '" Zhao said. "These detailed measurements enabled us to reconstruct the trajectory of the electron and determine conditions that enable the effective generation of free electrons."