Pesquisadores da Universidade McGill ganharam uma nova visão sobre o funcionamento dos perovskitas, um material semicondutor que mostra uma grande promessa de alta eficiência, células solares de baixo custo e uma variedade de outros dispositivos ópticos e eletrônicos.

As perovskitas chamaram a atenção na última década por causa de sua capacidade de atuar como semicondutores, mesmo quando há defeitos na estrutura cristalina do material. Isso torna as perovskitas especiais porque fazer com que a maioria dos outros semicondutores funcione bem requer técnicas de fabricação rigorosas e caras para produzir cristais o mais livre de defeitos possível. No que se refere à descoberta de um novo estado da matéria, a equipe McGill deu um passo à frente para desvendar o mistério de como os perovskitas realizam esse truque.

"Historicamente, as pessoas têm usado semicondutores em massa que são cristais perfeitos. E agora, de repente, este imperfeito, o cristal macio começa a funcionar para aplicações de semicondutores, desde fotovoltaicos a LEDs, "explica o autor sênior Patanjali Kambhampati, professor associado do Departamento de Química da McGill. "Esse é o ponto de partida para nossa pesquisa:como algo que está com defeito pode funcionar de maneira perfeita?"

Pontos quânticos, mas não como os conhecemos

Em um artigo publicado em 26 de maio em Pesquisa de revisão física , os pesquisadores revelam que um fenômeno conhecido como confinamento quântico ocorre dentro de cristais de perovskita em massa. Até agora, o confinamento quântico só foi observado em partículas de alguns nanômetros de tamanho - os pontos quânticos da fama da TV de tela plana são um exemplo muito elogiado. Quando as partículas são tão pequenas, suas dimensões físicas restringem o movimento dos elétrons de uma maneira que dá às partículas propriedades distintas de pedaços maiores do mesmo material - propriedades que podem ser ajustadas para produzir efeitos úteis, como a emissão de luz em cores precisas.

Usando uma técnica conhecida como espectroscopia de bomba / sonda de estado resolvido, os pesquisadores mostraram que um tipo semelhante de confinamento ocorre em cristais de perovskita de brometo de césio e chumbo. Em outras palavras, seus experimentos descobriram um comportamento semelhante ao dos pontos quânticos ocorrendo em pedaços de perovskita significativamente maiores do que os pontos quânticos.

Resultado surpreendente leva a descoberta inesperada

O trabalho baseia-se em pesquisas anteriores que estabeleceram que os perovskitas, embora pareça ser uma substância sólida a olho nu, têm certas características mais comumente associadas a líquidos. No centro dessa dualidade líquido-sólido está uma rede atômica capaz de distorcer em resposta à presença de elétrons livres. Kambhampati faz uma comparação com um trampolim que absorve o impacto de uma pedra lançada em seu centro. Assim como o trampolim acabará por paralisar a rocha, a distorção da rede de cristal de perovskita - um fenômeno conhecido como formação de polaron - é considerada como tendo um efeito estabilizador sobre o elétron.

Embora a analogia do trampolim sugira uma dissipação gradual de energia consistente com um sistema movendo-se de um estado excitado de volta para um mais estável, os dados de espectroscopia de bomba / sonda de fato revelaram o oposto. Para surpresa dos pesquisadores, suas medições mostraram um aumento geral na energia após a formação do polaron.

"O fato de a energia ter sido elevada mostra um novo efeito da mecânica quântica, confinamento quântico como um ponto quântico, "Kambhampati diz, explicando isso, na escala de tamanho dos elétrons, a pedra no trampolim é uma excitação, o emparelhamento limitado de um elétron com o espaço que ele deixa para trás quando está em um estado excitado.

"O que o polaron faz é confinar tudo em uma área espacialmente bem definida. Uma das coisas que nosso grupo foi capaz de mostrar é que o polaron se mistura com um exciton para formar o que parece ser um ponto quântico. Em certo sentido, é como um ponto quântico líquido, que é algo que chamamos de gota quântica. Esperamos que a exploração do comportamento dessas gotas quânticas dê origem a uma melhor compreensão de como projetar materiais optoeletrônicos tolerantes a defeitos. "