O dióxido de titânio (TiO2) é um dos materiais mais promissores para a fotovoltaica e fotocatálise atualmente. Este material aparece em diferentes formas cristalinas, mas o mais atraente para aplicações é chamado de "anatase". Apesar de décadas de estudos sobre a conversão da luz absorvida em cargas elétricas em anatase TiO2, a própria natureza de suas propriedades eletrônicas e ópticas fundamentais ainda era desconhecida. Cientistas da EPFL, com parceiros nacionais e internacionais, agora lançaram luz sobre o problema por meio de uma combinação de técnicas espectroscópicas ultrarrápidas e de estado estacionário de ponta, bem como cálculos teóricos. O trabalho é publicado em Nature Communications .

Anatase TiO2 está envolvido em uma ampla gama de aplicações, variando de energia fotovoltaica e fotocatálise a vidros autolimpantes, e purificação de água e ar. Tudo isso se baseia na absorção de luz e sua subseqüente conversão em cargas elétricas. Devido ao seu amplo uso em várias aplicações, O TiO2 foi um dos materiais mais estudados no século XX, tanto experimentalmente quanto teoricamente.

Quando a luz brilha em um material semicondutor, como TiO2, ele gera cargas negativas (elétrons) e positivas (buracos) livres ou um par elétron-buraco neutro ligado, chamado de exciton. Excitons são de grande interesse porque podem transportar energia e cargas em um nível de nanoescala, e formam a base de todo um campo de eletrônicos de última geração, chamado de "excitônica". O problema com o TiO2 até agora é que não fomos capazes de identificar claramente a natureza e as propriedades do objeto físico que absorve luz e caracterizar suas propriedades.

O grupo de Majed Chergui na EPFL, junto com colegas nacionais e internacionais, lançaram luz sobre esta questão de longa data, usando uma combinação de métodos experimentais de ponta:espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido em estado estacionário (ARPES), que mapeia a energética dos elétrons ao longo dos diferentes eixos do sólido; elipsometria espectroscópica, que determina as propriedades ópticas do sólido com alta precisão; e espectroscopia ultravioleta profunda bidimensional ultravioleta, usado pela primeira vez no estudo de materiais, junto com ferramentas teóricas de primeiros princípios de última geração.

Eles descobriram que o limite do espectro de absorção óptica é devido a um exciton fortemente ligado, que exibe duas propriedades novas notáveis:Primeiro, está confinado a um plano bidimensional (2D) da rede tridimensional do material. Este é o primeiro caso semelhante relatado em matéria condensada. E em segundo lugar, este exciton 2D é estável à temperatura ambiente e robusto contra defeitos, como está presente em qualquer tipo de TiO2 - cristais únicos, filmes finos, e até nanopartículas usadas em dispositivos.

Essa "imunidade" do exciton a distúrbios e defeitos estruturais de longo alcance implica que ele pode armazenar a energia que chega na forma de luz e guiá-la em nanoescala de maneira seletiva. Isso promete uma grande melhoria em comparação com a tecnologia atual, em que a energia de luz absorvida é dissipada como calor para a rede de cristal, tornando os esquemas de excitação convencionais extremamente ineficientes.

Além disso, o exciton recém-descoberto é muito sensível a uma variedade de estímulos externos e internos no material (temperatura, pressão, excesso de densidade de elétrons), pavimentando o caminho para um poderoso, esquema de detecção preciso e barato para sensores com leitura óptica.

"Dado que é barato e fácil de fabricar materiais de TiO2 anatase, essas descobertas são cruciais para muitas aplicações e além ", diz Majed Chergui. "Saber como as cargas elétricas são geradas depois que a luz é absorvida é um ingrediente chave para fotocatalisadores eficientes."