Luzes e monitores LED, e os painéis solares de qualidade nasceram de uma revolução nos semicondutores que convertem energia em luz de maneira eficiente ou vice-versa. Agora, materiais semicondutores de próxima geração estão no horizonte, e em um novo estudo, pesquisadores descobriram física excêntrica por trás de seu potencial para transformar a tecnologia de iluminação e fotovoltaica mais uma vez.

Comparar as propriedades quânticas desses chamados semicondutores híbridos emergentes com as de seus predecessores estabelecidos é como comparar o Balé Bolshoi a polichinelos. Trupes giratórias de partículas quânticas ondulam através dos materiais emergentes, criando, com facilidade, propriedades optoeletrônicas (luz-eletrônicas) altamente desejáveis, de acordo com uma equipe de físico-químicos liderada por pesquisadores do Georgia Institute of Technology.

Essas mesmas propriedades são impraticáveis ​​em semicondutores estabelecidos.

As partículas que se movem através desses novos materiais também envolvem o próprio material na ação quântica, semelhante a dançarinos que seduzem a pista para dançar com eles. Os pesquisadores foram capazes de medir padrões no material causados ​​pela dança e relacioná-los às propriedades quânticas do material emergente e à energia introduzida no material.

Esses insights podem ajudar os engenheiros a trabalhar de forma produtiva com a nova classe de semicondutores.

Semicondutores invulgarmente flexíveis

A capacidade do material emergente de abrigar diversos, movimentos excêntricos de partículas quânticas, análogo aos dançarinos, está diretamente relacionado à sua flexibilidade incomum em nível molecular, análogo à pista de dança que se junta às danças. Por contraste, semicondutores estabelecidos têm rigidez, estruturas moleculares lineares que deixam a dança para as partículas quânticas.

A classe de semicondutores híbridos que os pesquisadores examinaram é chamada de perovskita orgânica-inorgânica halogenada (HOIP), que será explicado com mais detalhes na parte inferior, juntamente com a designação de semicondutor "híbrido", que combina uma estrutura de cristal - comum em semicondutores - com uma camada de material flexível de forma inovadora.

Além de sua promessa de brilho único e eficiência energética, HOIPs são fáceis de produzir e aplicar.

Pinte-os em

"Uma vantagem convincente é que os HOIPs são feitos em baixas temperaturas e processados ​​em solução, "disse Carlos Silva, professor da Escola de Química e Bioquímica da Georgia Tech. "Demora muito menos energia para fazê-los, e você pode fazer grandes lotes. "Silva co-liderou o estudo ao lado de Ajay Ram Srimath Kandada da Georgia Tech e do Istituto Italiano di Tecnologia.

São necessárias altas temperaturas para fazer a maioria dos semicondutores em pequenas quantidades, e eles são rígidos para serem aplicados em superfícies, mas HOIPs podem ser pintados para fazer LEDs, lasers ou mesmo vidros de janela que podem brilhar em qualquer cor, desde água-marinha a fúcsia. A iluminação com HOIPs pode exigir muito pouca energia, e os fabricantes de painéis solares poderiam aumentar a eficiência da energia fotovoltaica e reduzir os custos de produção.

A equipe liderada pela Georgia Tech incluiu pesquisadores da Université de Mons na Bélgica e do Istituto Italiano di Tecnologia. Os resultados foram publicados em 14 de janeiro, 2019, no jornal Materiais da Natureza . O trabalho foi financiado pela U.S. National Science Foundation, EU Horizon 2020, o Conselho de Pesquisa de Ciências Naturais e Engenharia do Canadá, o Fond Québécois pour la Recherche, e o Escritório Federal de Política Científica da Bélgica.

Polichinelos quânticos

Semicondutores em dispositivos optoeletrônicos podem converter luz em eletricidade ou eletricidade em luz. Os pesquisadores se concentraram em processos ligados a este último:a emissão de luz.

O truque para fazer com que um material emita luz é, em termos gerais, para aplicar energia aos elétrons no material, de modo que eles dão um salto quântico de suas órbitas em torno dos átomos e então emitem essa energia como luz quando voltam para as órbitas que haviam desocupado. Semicondutores estabelecidos podem capturar elétrons em áreas do material que limitam estritamente a amplitude de movimento dos elétrons e, em seguida, aplicar energia a essas áreas para fazer os elétrons darem saltos quânticos em uníssono para emitir luz útil quando voltam para baixo em uníssono.

"Estes são poços quânticos, partes bidimensionais do material que confinam essas propriedades quânticas para criar essas propriedades particulares de emissão de luz, "Disse Silva.

Excitação de partícula imaginária

Existe uma maneira potencialmente mais atraente de produzir luz, e é um ponto forte dos novos semicondutores híbridos.

Um elétron tem uma carga negativa, e uma órbita que desocupa depois de ter sido excitada por energia é uma carga positiva chamada buraco de elétron. O elétron e o buraco podem girar em torno um do outro formando uma espécie de partícula imaginária, ou quase-partícula, chamado de exciton.

"A atração positiva-negativa em um exciton é chamada de energia de ligação, e é um fenômeno de alta energia, o que o torna ótimo para emissão de luz, "Disse Silva.

Quando o elétron e o buraco se reúnem, que libera a energia de ligação para fazer luz. Mas usualmente, excitons são muito difíceis de manter em um semicondutor.

"As propriedades excitônicas em semicondutores convencionais são estáveis ​​apenas em temperaturas extremamente baixas, "Silva disse." Mas em HOIPs as propriedades excitônicas são muito estáveis ​​em temperatura ambiente. "

Quasipartícula ornamentada girando

Excitons são liberados de seus átomos e se movem pelo material. Além disso, excitons em um HOIP podem girar em torno de outros excitons, formando quasipartículas chamadas biexcitons. E tem mais.

Excitons também giram em torno de átomos na rede material. Da mesma forma que um elétron e um buraco de elétron criam um exciton, esse giro do exciton em torno de um núcleo atômico dá origem a outra quase-partícula chamada polaron. Toda essa ação pode resultar na transição de excitons para polarons de volta. Pode-se até falar de alguns excitons assumindo uma nuance "polarônica".

Compondo todas essas dinâmicas está o fato de que os HOIPs estão cheios de íons carregados positiva e negativamente. A ornamentação dessas danças quânticas tem um efeito abrangente sobre o próprio material.

Os padrões de onda ressoam

A participação incomum de átomos do material nessas danças com elétrons, excitons, biexcitons e polarons criam indentações repetitivas em nanoescala no material que são observáveis ​​como padrões de onda e que mudam e fluem com a quantidade de energia adicionada ao material.

"Em um estado fundamental, esses padrões de onda teriam uma determinada aparência, mas com mais energia, os excitons fazem as coisas de maneira diferente. Isso muda os padrões de onda, e é isso que medimos, "Disse Silva." A observação principal no estudo é que o padrão de onda varia com diferentes tipos de excitons (excitons, biexciton, polarônico / menos polarônico). "

As indentações também prendem os excitons, retardando sua mobilidade através do material, e todas essas dinâmicas ornamentadas podem afetar a qualidade da emissão de luz.

Sanduíche elástico

O material, uma perovskita orgânica-inorgânica halogenada, é um sanduíche de duas camadas de rede cristalina inorgânica com algum material orgânico entre elas - tornando os HOIPs um material híbrido orgânico-inorgânico. A ação quântica acontece nas redes cristalinas.

A camada orgânica intermediária é como uma folha de elástico que transforma as grades de cristal em uma pista de dança instável, mas estável. Também, HOIPs são colocados juntos com muitas ligações não covalentes, tornando o material macio.

As unidades individuais do cristal assumem uma forma chamada perovskita, que é uma forma de diamante muito uniforme, com um metal no centro e halogênios como cloro ou iodo nas pontas, portanto, "haleto". Para este estudo, os pesquisadores usaram um protótipo 2-D com a fórmula (PEA) 2PbI4.