p Com sua promessa de computadores super rápidos e microscópios ópticos ultrapoderosos entre as muitas possibilidades, plasmonics se tornou um dos campos mais quentes em alta tecnologia. Contudo, até o momento, as propriedades plasmônicas têm sido limitadas a nanoestruturas que apresentam interfaces entre metais nobres e dielétricos. Agora, pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) demonstraram que as propriedades plasmônicas também podem ser alcançadas em nanocristais semicondutores conhecidos como pontos quânticos. Essa descoberta deve tornar o campo da plasmônica ainda mais quente. p "Demonstramos ressonâncias de plasmon de superfície localizadas bem definidas decorrentes de portadores do tipo p em pontos quânticos semicondutores dopados por vacância que devem permitir a detecção plasmônica e a manipulação de processos de estado sólido em nanocristais únicos, "diz o diretor do Berkeley Lab, Paul Alivisatos, uma autoridade em nanoquímica que liderou esta pesquisa. "Nossos pontos quânticos semicondutores dopados também abrem a possibilidade de acoplar fortemente propriedades fotônicas e eletrônicas, com implicações para a coleta de luz, óptica não linear, e processamento de informação quântica. "

p Alivisatos é o autor correspondente de um artigo na revista Materiais da Natureza intitulado "Ressonâncias localizadas de plasmon de superfície surgindo de portadores livres em pontos quânticos dopados." Os co-autores do artigo foram Joseph Luther e Prashant Jain, junto com Trevor Ewers.

p O termo "plasmônica" descreve um fenômeno no qual o confinamento da luz em dimensões menores que o comprimento de onda dos fótons no espaço livre torna possível combinar as diferentes escalas de comprimento associadas à fotônica e à eletrônica em um único dispositivo em nanoescala. Os cientistas acreditam que, por meio da plasmônica, seria possível projetar interconexões de chips de computador capazes de mover quantidades muito maiores de dados com muito mais rapidez do que os chips atuais. Também deve ser possível criar lentes de microscópio que possam resolver objetos em nanoescala com luz visível, uma nova geração de diodos emissores de luz altamente eficientes, e detectores químicos e biológicos supersensíveis. Há até evidências de que materiais plasmônicos podem ser usados ​​para dobrar a luz em torno de um objeto, tornando esse objeto invisível.

p O fenômeno plasmônico foi descoberto em nanoestruturas nas interfaces entre um metal nobre, como ouro ou prata, e um dielétrico, como ar ou vidro. Direcionar um campo eletromagnético em tal interface gera ondas de superfície eletrônicas que rolam através dos elétrons de condução em um metal, como ondas que se espalham pela superfície de um lago que foi perfurado com uma pedra. Assim como a energia em um campo eletromagnético é transportada em uma unidade semelhante a uma partícula quantizada chamada fóton, a energia em tal onda de superfície eletrônica é transportada em uma unidade parecida com uma partícula quantizada chamada plasmon. A chave para as propriedades plasmônicas é quando a frequência de oscilação entre os plasmons e os fótons incidentes coincide, um fenômeno conhecido como ressonância de plasmon de superfície localizada (LSPR). A sabedoria científica convencional afirma que os LSPRs requerem uma nanoestrutura de metal, onde os elétrons de condução não estão fortemente ligados a átomos ou moléculas individuais. Isso provou não ser o caso de Prashant Jain, membro do grupo de pesquisa Alivisatos e um dos principais autores do artigo da Nature Materials, explica.

p "Nosso estudo representa uma mudança de paradigma das nanoplasmônicas de metal, pois mostramos que, em princípio, qualquer nanoestrutura pode exibir LSPRs, desde que a interface tenha um número apreciável de portadoras de carga gratuita, ou elétrons ou buracos, "Jain diz." Ao demonstrar LSPRs em pontos quânticos dopados, estendemos a gama de materiais candidatos para plasmônicos para incluir semicondutores, e também fundimos o campo das nanoestruturas plasmônicas, que exibem propriedades fotônicas ajustáveis, com o campo de pontos quânticos, que exibem propriedades eletrônicas ajustáveis. "

p Jain e seus co-autores fizeram seus pontos quânticos a partir do sulfeto de cobre semicondutor, um material que é conhecido por suportar várias estequiometrias com deficiência de cobre. Inicialmente, os nanocristais de sulfeto de cobre foram sintetizados usando um método comum de injeção a quente. Embora isso tenha gerado nanocristais que foram intrinsecamente autodopados com portadores de carga do tipo p, não havia controle sobre a quantidade de vagas de carga ou transportadoras.

p "Pudemos superar essa limitação usando um método de troca iônica em temperatura ambiente para sintetizar os nanocristais de sulfeto de cobre, "Jain diz." Isso congela os nanocristais em um estado relativamente livre de vacância, que podemos então administrar de maneira controlada, usando oxidantes químicos comuns. "

p Ao introduzir portadores de carga elétrica gratuitos por meio de dopantes e vagas, Jain e seus colegas conseguiram atingir LSPRs na faixa do infravermelho próximo do espectro eletromagnético. A extensão da plasmônica para incluir semicondutores, bem como metais, oferece uma série de vantagens significativas, como Jain explica.

p "Ao contrário de um metal, a concentração de portadores de carga livre em um semicondutor pode ser ativamente controlada por dopagem, temperatura, e / ou transições de fase, "ele diz." Portanto, a frequência e intensidade dos LSPRs em
pontos quânticos dopáveis ​​podem ser ajustados dinamicamente. Os LSPRs de um metal, por outro lado, uma vez projetado por meio de uma escolha de parâmetros de nanoestrutura, como forma e tamanho, está permanentemente bloqueado. "

p Jain prevê que os pontos quânticos serão integrados a uma variedade de futuros filmes e dispositivos fotônicos baseados em chips que podem ser ativamente ativados ou controlados, e também sendo aplicado a tais aplicações ópticas como imagem in vivo. Além disso, o forte acoplamento que é possível entre os modos fotônico e eletrônico em tais pontos quânticos dopados possui um potencial excitante para aplicações em energia solar fotovoltaica e fotossíntese artificial

p “Em sistemas fotovoltaicos e fotossintéticos artificiais, a luz precisa ser absorvida e canalizada para gerar elétrons e buracos energéticos, que pode então ser usado para produzir eletricidade ou combustível, "Jain diz." Para ser eficiente, é altamente desejável que tais sistemas exibam uma interação aprimorada de luz com excitons. Isso é o que um ponto quântico dopado com um modo LSPR poderia alcançar. "

p O potencial para modos eletrônicos e fotônicos fortemente acoplados em pontos quânticos dopados surge do fato de que pontos quânticos semicondutores permitem excitações eletrônicas quantizadas (excitons), enquanto os LSPRs servem para localizar ou confinar fortemente a luz de frequências específicas dentro do ponto quântico. O resultado é uma interação aprimorada de exciton-luz. Uma vez que a frequência LSPR pode ser controlada alterando o nível de dopagem, e excitons podem ser ajustados por confinamento quântico, deve ser possível projetar pontos quânticos dopados para coletar as frequências mais ricas de luz do espectro solar.

p Plasmônica de pontos quânticos também oferece possibilidades intrigantes para dispositivos de comunicação e computação quânticos futuros.

p "O uso de fótons individuais, na forma de plasmons quantizados, permitiria que os sistemas quânticos enviassem informações quase à velocidade da luz, em comparação com a velocidade e resistência do elétron em sistemas clássicos, "Jain diz." Pontos quânticos dopados, fornecendo excitons quantizados fortemente acoplados e LSPRs e dentro da mesma nanoestrutura podem servir como uma fonte de plasmons individuais. "

p Jain e outros do grupo de pesquisa de Alivsatos estão agora investigando o potencial de pontos quânticos dopados feitos de outros semicondutores, como seleneto de cobre e telureto de germânio, que também exibem ressonâncias plasmônicas ou fotônicas sintonizáveis. Telureto de germânio é de particular interesse porque tem propriedades de mudança de fase que são úteis para dispositivos de armazenamento de memória.

p "Um objetivo de longo prazo é generalizar fenômenos plasmônicos para todos os pontos quânticos dopados, seja fortemente autodopado ou extrinsecamente dopado com relativamente poucas impurezas ou vazios, "Jain diz.