Dmitry Fishman (à direita) e Eric Potma, ambos professores de química na UC Irvine, fizeram uma descoberta revolucionária sobre a forma como a luz interage com a matéria sólida no silício. Seu trabalho poderia levar a uma maior eficiência em sistemas elétricos solares, lasers semicondutores e outras tecnologias optoeletrônicas avançadas. Crédito:Lucas Van Wyk Joel / UC Irvine Uma equipa de investigação liderada por químicos da Universidade da Califórnia, em Irvine, descobriu uma forma até então desconhecida pela qual a luz interage com a matéria, uma descoberta que poderá levar a sistemas de energia solar melhorados, díodos emissores de luz, lasers semicondutores e outros avanços tecnológicos.
Em artigo publicado recentemente na revista ACS Nano , os cientistas, acompanhados por colegas da Universidade Federal de Kazan, na Rússia, explicam como aprenderam que os fótons podem obter um impulso substancial, semelhante ao dos elétrons em materiais sólidos, quando confinados a espaços de escala nanométrica no silício.
"O silício é o segundo elemento mais abundante da Terra e forma a espinha dorsal da eletrônica moderna. No entanto, sendo um semicondutor indireto, sua utilização na optoeletrônica tem sido prejudicada por propriedades ópticas pobres, "disse o autor sênior Dmitry Fishman, professor adjunto de UC Irvine de química.
Ele disse que, embora o silício não emita luz naturalmente em sua forma a granel, o silício poroso e nanoestruturado pode produzir luz detectável após ser exposto à radiação visível. Os cientistas estão cientes deste fenómeno há décadas, mas as origens precisas da iluminação têm sido objeto de debate.
"Em 1923, Arthur Compton descobriu que os fótons gama possuíam impulso suficiente para interagir fortemente com elétrons livres ou ligados. Isso ajudou a provar que a luz tinha propriedades tanto de onda quanto de partícula, uma descoberta que levou Compton a receber o Prêmio Nobel de física em 1927." disse Peixeman.
"Em nossos experimentos, mostramos que o momento da luz visível confinado a cristais de silício em nanoescala produz uma interação óptica semelhante em semicondutores."
A compreensão da origem da interação requer outra viagem ao início do século XX. Em 1928, o físico indiano C.V. Raman, que ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1930, tentou repetir o experimento Compton com luz visível. No entanto, ele encontrou um obstáculo formidável na disparidade substancial entre o momento dos elétrons e o dos fótons visíveis.
Resumo gráfico. Crédito:ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c12666
Apesar desse revés, as investigações de Raman sobre o espalhamento inelástico em líquidos e gases levaram à revelação do que hoje é reconhecido como efeito Raman vibracional, e a espectroscopia - um método crucial de estudos espectroscópicos da matéria - passou a ser conhecida como espalhamento Raman.
"Nossa descoberta do momento do fóton no silício desordenado se deve a uma forma de espalhamento eletrônico Raman", disse o co-autor Eric Potma, professor de química da UC Irvine. "Mas, ao contrário do Raman vibracional convencional, o Raman eletrônico envolve diferentes estados iniciais e finais para o elétron, um fenômeno anteriormente observado apenas em metais."
Para seus experimentos, os pesquisadores produziram em seu laboratório amostras de vidro de silício que variavam em clareza do amorfo ao cristalino. Eles submeteram um filme de silício de 300 nanômetros de espessura a um feixe de laser de onda contínua bem focado que foi escaneado para escrever uma série de linhas retas.
Em áreas onde a temperatura não ultrapassava 500 graus Celsius, o procedimento resultou na formação de um vidro reticulado homogêneo. Em áreas onde a temperatura ultrapassou 500 C, formou-se um vidro semicondutor heterogêneo. Este “filme de espuma leve” permitiu aos pesquisadores observar como as propriedades eletrônicas, ópticas e térmicas variavam na escala nanométrica.
"Este trabalho desafia a nossa compreensão da interacção entre luz e matéria, sublinhando o papel crítico dos momentos dos fotões," disse Fishman.
"Em sistemas desordenados, a correspondência de momento elétron-fóton amplifica a interação - um aspecto anteriormente associado apenas a fótons gama de alta energia no espalhamento Compton clássico. Em última análise, nossa pesquisa abre o caminho para ampliar as espectroscopias ópticas convencionais além de suas aplicações típicas em análise química , como a espectroscopia vibracional Raman tradicional no domínio dos estudos estruturais - a informação que deve estar intimamente ligada ao momento do fóton."
Potma acrescentou:"Esta propriedade recém-realizada da luz, sem dúvida, abrirá um novo domínio de aplicações em optoeletrônica. O fenômeno aumentará a eficiência dos dispositivos de conversão de energia solar e dos materiais emissores de luz, incluindo materiais que anteriormente eram considerados inadequados para a emissão de luz. ."
