(a) Ilustração do sistema de imagem de microscopia para ver a difusão do exciton. (b) Espectros de absorção e fotoluminescência (PL) de 3 tipos de nossos nanocristais de perovskita NCs. (d-g) Resultados de imagem para nossos 3 tipos de NCs de perovskita, mostrando (d) o tamanho da bomba que excita as amostras, e (e-g) os tamanhos de seu PL. Os tamanhos maiores das imagens PL implicam que os excitons viajam por longas distâncias antes de se recombinar e emitir luz. Destes tamanhos, podemos estimar as distâncias de viagem dos excitons. Crédito:Tze Chien Sum
Produzir energia limpa e reduzir o consumo de energia da iluminação e dispositivos pessoais são os principais desafios para reduzir o impacto da civilização moderna no meio ambiente. Como resultado, a crescente demanda por células solares e dispositivos emissores de luz está levando os cientistas a explorar novos materiais semicondutores e melhorar seu desempenho, enquanto reduz os custos de produção.
Nanocristais semicondutores (materiais com tamanhos de cerca de 10 nanômetros, que é aproximadamente 10, 000 vezes mais fino que o nosso cabelo) são uma grande promessa para essas aplicações:são baratos de produzir, podem ser facilmente integrados nestes dispositivos e possuem propriedades excepcionalmente aprimoradas na interação com a luz, em comparação com suas contrapartes em massa. Este forte acoplamento com a luz lhes dá uma vantagem distinta sobre os semicondutores convencionais, abrindo caminho para dispositivos de alta eficiência.
Infelizmente, essa borda tem um custo:quando o tamanho de um semicondutor é reduzido, os elétrons não podem mais viajar livremente pelo material restringido por suas dimensões físicas. Além disso, suas superfícies muito maiores requerem o uso de estratégias de passivação (por exemplo, com ligantes orgânicos) para reduzir as armadilhas que podem afetar inadvertidamente o transporte de carga ainda mais. Portanto, aplicações práticas amplamente difundidas de nanocristais são limitadas, e seu potencial disruptivo não pode ser explorado.
Em um novo artigo publicado em Light:Ciência e Aplicações , uma equipe de cientistas, liderado pelo professor Tze Chien Sum da Universidade Tecnológica de Nanyang (NTU), Cingapura, descobriram que os nanocristais feitos de perovskitas halogenadas possuem propriedades extraordinárias de transporte de energia, que substituem o transporte de cargas, e poderia abrir novos locais para a implementação desses materiais em dispositivos de alta eficiência.
O Prof. Sum e sua equipe já foram os pioneiros no estudo do transporte de cargas nesses materiais. Em 2013, a equipe relatou propriedades de transporte de elétrons sem precedentes para perovskitas de haleto em massa e esta descoberta sustentou o sucesso de perovskitas de haleto nos anos seguintes.
A granel, a excitação pela luz cria cargas (elétron e buraco), que se difundem para seus respectivos eletrodos para serem extraídos como corrente elétrica. Em nanocristais, excitação pela luz cria excitons, que viajam por transferência de energia. Os excitons se dissociam nos eletrodos e são extraídos como corrente elétrica. Crédito:Tze Chien Sum
Nesse trabalho, A equipe do Prof. Sum demonstrou que, surpreendentemente, a energia pode ser transportada de forma muito eficiente em filmes feitos de nanocristais. A equipe usou um sistema de imagem de microscopia para "visualizar" a energia viajando usando sua forte emissão de luz como uma sonda, conforme mostrado na Figura 1.
Embora cargas negativas e positivas (elétrons e lacunas, respectivamente) sozinho não pode viajar dentro deste material nanoestruturado, eles podem se unir e formar os chamados "excitons" para viajarem juntos, como mostrado na Figura 2. A mobilidade de energia nestes materiais excede a de outras nanoestruturas convencionais, tais como seleneto de cádmio (CdSe) pontos quânticos em mais de 1 ordem de magnitude. Além disso, a energia pode até viajar mais nesses materiais em comparação com o que as cargas podem fazer em perovskitas de haleto a granel.
"Este resultado é sem precedentes. Quando você reduz o tamanho de um material, geralmente significa que você reduz a distância máxima que as cargas podem percorrer dentro dele. Contudo, em perovskitas halogenadas, quando você reduz sua dimensão ao tamanho quântico, essas cargas conseguem se organizar em excitons e encontram uma maneira diferente de viajar. Seu alcance agora é ainda mais longo do que seu alcance inicial de viagem antes de reduzir seus tamanhos, "disseram o Dr. David Giovanni e o Dr. Marcello Righetto, dois dos principais autores do trabalho que compartilharam contribuições iguais.
Aqui, dois mecanismos de transporte de energia foram identificados:os excitons 'saltam' muito efetivamente entre diferentes nanocristais, e seu transporte é auxiliado pela emissão de luz que fica presa dentro do filme e, portanto, reabsorvida. Pela primeira vez, O cientista forneceu um método para distinguir essas duas contribuições.
Embora o próximo desafio de implementar diretamente essas propriedades extraordinárias para dispositivos reais ainda permaneça (ou seja, excitons devem ser divididos em cargas positivas e negativas para criar uma corrente detectável), esta descoberta do transporte de energia de longo alcance e seus mecanismos fornecem novas maneiras de explorar nanoestruturas em dispositivos.
