Uma equipe de pesquisa de várias universidades usou um novo método espectroscópico para obter uma visão chave sobre como a luz é emitida a partir de nanomateriais em camadas e outros filmes finos.

A tecnica, chamada espectroscopia de energia-momento, permite aos pesquisadores olhar para a luz que emerge de um filme fino e determinar se ela vem de emissores orientados ao longo do plano do filme ou de emissores orientados perpendicularmente ao filme. Saber as orientações dos emissores pode ajudar os engenheiros a fazer melhor uso de materiais de película fina em dispositivos ópticos como LEDs ou células solares.

A pesquisa, publicado online em 3 de março em Nature Nanotechnology , foi um esforço colaborativo da Brown University, Case Western Reserve University, Universidade Columbia, e a Universidade da Califórnia - Santa Bárbara.

A nova técnica aproveita uma propriedade fundamental dos filmes finos:a interferência. Os efeitos de interferência podem ser vistos nas cores do arco-íris visíveis na superfície das bolhas de sabão ou manchas de óleo. Os cientistas podem analisar como a luz interfere de forma construtiva e destrutiva em diferentes ângulos para tirar conclusões sobre o próprio filme - quão espesso ele é, por exemplo. Essa nova técnica leva esse tipo de análise um passo adiante para filmes finos emissores de luz.

"A principal diferença em nossa técnica é que observamos a energia, bem como o ângulo e a polarização em que a luz é emitida, "disse Rashid Zia, professor assistente de engenharia na Brown University e um dos principais autores do estudo. "Podemos relacionar esses diferentes ângulos a orientações distintas dos emissores do filme. Em alguns ângulos e polarizações, vemos apenas a emissão de luz de emissores no plano, enquanto em outros ângulos e polarizações, vemos apenas a luz proveniente de emissores fora do plano. "

Os pesquisadores demonstraram sua técnica em dois importantes materiais de película fina, dissulfeto de molibdênio (MoS2) e PTCDA. Cada um representa uma classe de materiais promissores para aplicações ópticas. MoS2 é um material bidimensional semelhante ao grafeno, e PTCDA é um semicondutor orgânico. A pesquisa mostrou que a emissão de luz do MoS2 ocorre apenas em emissores no plano. Em PTCDA, a luz vem de duas espécies distintas de emissores, um no plano e um fora do plano.

Uma vez que a orientação dos emissores é conhecida, Zia diz, pode ser possível projetar dispositivos estruturados que maximizem essas propriedades direcionais. Na maioria dos aplicativos, materiais de filme fino são dispostos em camadas uns sobre os outros. As orientações dos emissores em cada camada indicam se as excitações eletrônicas estão acontecendo dentro de cada camada ou através das camadas, e isso tem implicações em como tal dispositivo deve ser configurado.

"Se você estivesse fazendo um LED usando esses materiais em camadas e soubesse que as excitações eletrônicas estavam acontecendo em uma interface, "Zia disse, "então, há uma maneira específica de projetar a estrutura para obter toda essa luz e aumentar sua eficiência geral."

O mesmo conceito pode ser aplicado a dispositivos que absorvem luz, como células solares. Ao compreender como as excitações eletrônicas acontecem no material, poderia ser possível estruturá-lo de uma forma que transformasse mais luz que entra em eletricidade.

"Uma das coisas interessantes sobre esta pesquisa é como ela reuniu pessoas com diferentes conhecimentos, "Zia disse." A experiência de nosso grupo na Brown está no desenvolvimento de novas formas de espectroscopia e no estudo da origem eletrônica da emissão de luz. O grupo Kymissis em Columbia tem uma grande experiência em semicondutores orgânicos, e o grupo Shan da Case Western tem grande experiência em nanomateriais em camadas. Jon Schuller, o primeiro autor do estudo, fez um ótimo trabalho reunindo todo esse conhecimento. Jon era um cientista visitante aqui na Brown, um pós-doutorado no Energy Frontier Research Center em Columbia, e agora é professor da UCSB. "