Desenvolvendo os blocos de construção do futuro para energia fotovoltaica

Representação artística mostrando as camadas torcidas de disseleneto de tungstênio (acima) e dissulfeto de molibdênio (abaixo). Após a excitação usando a luz, uma infinidade de excitons opticamente "escuros" se formam entre as camadas. Esses excitons "escuros" são pares de elétrons-buracos ligados pela interação de Coulomb (esferas claras e escuras conectadas por linhas de campo), que não podem ser observadas diretamente usando luz visível. Uma das quasipartículas mais interessantes é o "exciton interlayer moiré" - mostrado no meio da imagem - no qual o buraco está localizado em uma camada e o elétron na outra. A formação desses excitons na escala de tempo de femtossegundos e a influência do potencial de Moiré (ilustrado por picos e vales nas camadas) foram investigados no presente estudo usando microscopia de momento de fotoemissão de femtossegundos e teoria da mecânica quântica. Crédito:Brad Baxley, Part to Whole, LLC

Uma equipe de pesquisa internacional liderada pela Universidade de Göttingen observou, pela primeira vez, o acúmulo de um fenômeno físico que desempenha um papel na conversão da luz solar em energia elétrica em materiais 2D. Os cientistas conseguiram tornar as quasipartículas – conhecidas como excitons de camada intermediária de Moiré escuras – visíveis e explicar sua formação usando a mecânica quântica. Os pesquisadores mostram como uma técnica experimental recém-desenvolvida em Göttingen, a microscopia de momento de fotoemissão de femtossegundos, fornece insights profundos em nível microscópico, que serão relevantes para o desenvolvimento de tecnologia futura. Os resultados foram publicados na Nature .
Estruturas atomicamente finas feitas de materiais semicondutores bidimensionais são candidatos promissores para futuros componentes em eletrônica, optoeletrônica e fotovoltaica. Curiosamente, as propriedades desses semicondutores podem ser controladas de uma maneira incomum:como os tijolos de Lego, as camadas atomicamente finas podem ser empilhadas umas sobre as outras.

No entanto, há outro truque importante:enquanto os tijolos de Lego só podem ser empilhados em cima – diretamente ou torcidos em um ângulo de 90 graus – o ângulo de rotação na estrutura dos semicondutores pode ser variado. É precisamente este ângulo de rotação que é interessante para a produção de novos tipos de células solares. No entanto, embora mudar esse ângulo possa revelar avanços para novas tecnologias, também leva a desafios experimentais.

De fato, as abordagens experimentais típicas têm apenas acesso indireto aos excitons da camada intermediária de moiré, portanto, esses excitons são comumente chamados de excitons "escuros". "Com a ajuda da microscopia de momento de fotoemissão de femtosegundos, conseguimos tornar esses excitons escuros visíveis", explica o Dr. Marcel Reutzel, líder do grupo de pesquisa júnior da Faculdade de Física da Universidade de Göttingen. "Isso nos permite medir como os excitons são formados em uma escala de tempo de um milionésimo de um milionésimo de milissegundo. Podemos descrever a dinâmica da formação desses excitons usando a teoria da mecânica quântica desenvolvida pelo grupo de pesquisa do professor Ermin Malic em Marburg. "

“Esses resultados não apenas nos dão uma visão fundamental sobre a formação de excitons de camadas intermediárias escuras de Moiré, mas também abrem uma perspectiva completamente nova para permitir que os cientistas estudem as propriedades optoeletrônicas de materiais novos e fascinantes”, diz o professor Stefan Mathias, chefe do estudar na Faculdade de Física da Universidade de Göttingen. "Este experimento é inovador porque, pela primeira vez, detectamos a assinatura do potencial Moiré impresso no éxciton, ou seja, o impacto das propriedades combinadas das duas camadas semicondutoras torcidas. estude mais esse efeito específico para aprender mais sobre as propriedades dos materiais resultantes."

Esta pesquisa foi publicada na Nature . + Explorar mais