Pequeno, partículas fáceis de produzir, chamados pontos quânticos, pode em breve tomar o lugar de semicondutores de cristal único mais caros em eletrônicos avançados encontrados em painéis solares, sensores de câmera e ferramentas de imagens médicas. Embora os pontos quânticos tenham começado a entrar no mercado de consumo - na forma de TVs de pontos quânticos - eles foram prejudicados por incertezas de longa data sobre sua qualidade. Agora, uma nova técnica de medição desenvolvida por pesquisadores da Universidade de Stanford pode finalmente dissolver essas dúvidas.

"Os semicondutores tradicionais são monocristais, cultivado no vácuo em condições especiais. Podemos fazer isso em grande número, em frasco, em um laboratório e mostramos que eles são tão bons quanto os melhores cristais individuais, "disse David Hanifi, estudante de graduação em química em Stanford e co-autor do artigo escrito sobre este trabalho, publicado em 15 de março em Ciência .

Os pesquisadores se concentraram em quão eficientemente os pontos quânticos reemitem a luz que absorvem, uma medida reveladora da qualidade do semicondutor. Embora as tentativas anteriores de descobrir a eficiência do ponto quântico sugerissem alto desempenho, este é o primeiro método de medição a mostrar com segurança que eles podem competir com os monocristais.

Este trabalho é o resultado de uma colaboração entre os laboratórios de Alberto Salleo, professor de ciência de materiais e engenharia em Stanford, e Paul Alivisatos, o distinto professor de nanociência e nanotecnologia da Samsung na Universidade da Califórnia, Berkeley, que é um pioneiro na pesquisa de pontos quânticos e autor sênior do artigo. Alivisatos enfatizou como a técnica de medição pode levar ao desenvolvimento de novas tecnologias e materiais que requerem um conhecimento cuidadoso da eficiência de nossos semicondutores.

"Esses materiais são tão eficientes que as medições existentes não foram capazes de quantificar o quão bons eles são. Este é um salto gigante à frente, "disse Alivisatos." Pode algum dia permitir aplicações que requeiram materiais com eficiência de luminescência bem acima de 99 por cento, a maioria dos quais ainda não foi inventada. "

Entre 99 e 100

Ser capaz de dispensar a necessidade de equipamentos de fabricação caros não é a única vantagem dos pontos quânticos. Mesmo antes deste trabalho, havia sinais de que os pontos quânticos poderiam se aproximar ou superar o desempenho de alguns dos melhores cristais. Eles também são altamente personalizáveis. Mudar seu tamanho muda o comprimento de onda da luz que eles emitem, um recurso útil para aplicações baseadas em cores, como marcação de amostras biológicas, TVs ou monitores de computador.

Apesar dessas qualidades positivas, o pequeno tamanho dos pontos quânticos significa que pode levar bilhões deles para fazer o trabalho de um grande, cristal único perfeito. Fazer tantos desses pontos quânticos significa mais chances de algo crescer incorretamente, mais chances de um defeito que pode prejudicar o desempenho. As técnicas que medem a qualidade de outros semicondutores sugeriam anteriormente que os pontos quânticos emitiam mais de 99% da luz que absorvem, mas isso não era suficiente para responder a perguntas sobre seu potencial para defeitos. Para fazer isso, os pesquisadores precisavam de uma técnica de medição mais adequada para avaliar com precisão essas partículas.

"Queremos medir a eficiência das emissões na ordem de 99,9 a 99,999 por cento porque, se os semicondutores são capazes de reemitir como luz cada fóton que absorvem, você pode fazer ciência realmente divertida e fazer dispositivos que não existiam antes, "disse Hanifi.

A técnica dos pesquisadores envolveu verificar o excesso de calor produzido por pontos quânticos energizados, ao invés de apenas avaliar a emissão de luz porque o excesso de calor é uma assinatura de emissão ineficiente. Esta técnica, comumente usado para outros materiais, nunca tinha sido aplicado para medir pontos quânticos desta forma e era 100 vezes mais preciso do que outros usaram no passado. Eles descobriram que grupos de pontos quânticos emitiam de forma confiável cerca de 99,6 por cento da luz que absorveram (com um erro potencial de 0,2 por cento em qualquer direção), que é comparável às melhores emissões de cristal único.

"Foi surpreendente que um filme com muitos defeitos potenciais seja tão bom quanto o semicondutor mais perfeito que você pode fazer, "disse Salleo, quem é co-autor do artigo.

Ao contrário das preocupações, os resultados sugerem que os pontos quânticos são notavelmente tolerantes a defeitos. A técnica de medição também é a primeira a resolver com firmeza como as diferentes estruturas de pontos quânticos se comparam umas às outras - pontos quânticos com precisamente oito camadas atômicas de um material de revestimento especial emitem luz mais rapidamente, um indicador de qualidade superior. A forma desses pontos deve orientar o design para novos materiais emissores de luz, disse Alivisatos.

Tecnologias totalmente novas

Esta pesquisa é parte de uma coleção de projetos dentro de um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia financiado pelo Departamento de Energia, chamada Fotônica nos Limites Termodinâmicos. Liderado por Jennifer Dionne, professor associado de ciência de materiais e engenharia em Stanford, o objetivo do centro é criar materiais ópticos - materiais que afetam o fluxo de luz - com a maior eficiência possível.

Uma próxima etapa neste projeto é desenvolver medições ainda mais precisas. Se os pesquisadores puderem determinar que esses materiais alcançam eficiências de ou acima de 99,999 por cento, isso abre a possibilidade para tecnologias que nunca vimos antes. Isso poderia incluir novos corantes brilhantes para aumentar nossa capacidade de olhar para a biologia em escala atômica, resfriamento luminescente e concentradores solares luminescentes, que permitem que um conjunto relativamente pequeno de células solares receba energia de uma grande área de radiação solar. Tudo isso sendo dito, as medições que eles já estabeleceram são um marco por si só, provavelmente encorajará um impulso mais imediato na pesquisa e nas aplicações dos pontos quânticos.

"As pessoas que trabalham com esses materiais de pontos quânticos pensam há mais de uma década que os pontos podem ser tão eficientes quanto os materiais de cristal único, "disse Hanifi, "e agora finalmente temos provas."