p Os pontos quânticos são nanopartículas de semicondutores que podem ser ajustados para brilhar em um arco-íris de cores. Desde sua descoberta na década de 1980, essas notáveis ​​nanopartículas ofereceram perspectivas tentadoras para todos os tipos de novas tecnologias, variando de materiais de iluminação pintados e células solares a chips de computador quânticos, marcadores biológicos, e até mesmo lasers e tecnologias de comunicação. p Mas há um problema:os pontos quânticos costumam piscar.

p Esta "intermitência de fluorescência, "como os cientistas chamam, colocou um amortecedor em muitas aplicações potenciais. Lasers e portas lógicas não funcionam muito bem com fontes de luz duvidosas. Os pontos quânticos podem absorver cores específicas de luz, também, mas usá-los para coletar luz solar em energia fotovoltaica ainda não é muito eficiente, devido em parte aos mecanismos por trás do piscar.

p Cientistas da Universidade de Chicago que computavam no Centro de Computação Científica de Pesquisa Energética do Departamento de Energia (NERSC) recentemente investigaram o misterioso processo de piscar em pontos quânticos de silício usando simulações. Seus resultados, publicado na edição de 28 de fevereiro de Nanoescala , traga os cientistas um passo mais perto de compreender - e possivelmente remediar - o problema.

p O incrível ponto quântico

p Pontos quânticos - conhecidos como nanocristais, nanopartículas e nanopontos - possuem algumas propriedades benéficas que faltam em suas contrapartes em massa.

p Excite um ponto quântico e ele brilha intensamente em uma cor de luz específica. Varie a largura em alguns átomos e você pode ajustá-la para brilhar em cores diferentes:quanto menor o ponto, mais azul a luz. Quanto maior o ponto, o mais vermelho. Os pontos quânticos também podem ser ajustados para absorver comprimentos de onda específicos da luz, uma propriedade útil para células solares.

p Em comparação, a estrutura molecular dos semicondutores em massa determina (e limita) as cores da luz (ou energias) emitidas e absorvidas. Então, um diodo emissor de luz (LED) feito de um material pode brilhar em verde enquanto outro em vermelho. Para obter cores diferentes, você deve usar materiais diferentes. Células solares, Da mesma forma, use camadas de diferentes materiais para capturar vários comprimentos de onda de luz.

p Então, por que um nanocristal de semicondutor se comporta de maneira tão diferente do que uma rede maior do mesmo material? Em uma palavra:tamanho. Fabricado artificialmente para conter apenas um punhado de átomos, os pontos quânticos são tão pequenos que existem na zona crepuscular entre a física newtoniana e quântica, às vezes obedecendo a um conjunto de regras, às vezes o outro, frequentemente com um efeito surpreendente.

p Enquanto os cristais de semicondutores em massa podem perder e recuperar elétrons (é assim que eles conduzem uma carga), os elétrons de um ponto quântico estão confinados dentro do ponto. Esse estado é chamado de confinamento quântico. Quando os elétrons de um ponto quântico interagem com a luz, eles podem passar por uma transição e "saltar" (mecanicamente quântico) para um estado que, em condições normais, está desocupado. A energia associada ao menor salto é chamada de intervalo. A lacuna é, portanto, o excesso de energia que os elétrons podem liberar, idealmente como luz (ou no caso de energia fotovoltaica, portadores) ao abaixar para um estado de energia mais baixo. Como resultado, o raio do material define a energia que esses pontos podem absorver e emitir.

p Piscando incômodo

p Pontos quânticos, Contudo, tendem a piscar e desligar. O piscar não é aleatório (obedece a uma "lei de potência"), mas também não é previsível. Assim, as partículas individuais podem ficar escuras apenas por nanossegundos ou permanecer escuras por alguns minutos de cada vez ou algum intervalo entre eles.

p Os cientistas têm algumas idéias sobre o que causa o piscar, mas ainda não entendo exatamente como funciona, disse Márton Vörös, um pesquisador de pós-doutorado da Universidade de Chicago que foi co-autor do estudo.

p "Existe essa ideia de que os defeitos superficiais, por exemplo, uma ligação pendente na superfície de um nanocristal, pode capturar elétrons e causar essa mudança entre os estados claro e escuro, "disse Vörös, que realizou os cálculos no NERSC." Existem alguns modelos microscópicos já apresentados por outros grupos que dependem de defeitos, mas ainda falta um entendimento completo. "

p Questões de cobrança

p Para estudar o piscar, a equipe usou nanopartículas de silício (Si) simuladas configuradas com vários defeitos e revestidas com dióxido de silício. Começando com três possíveis estados de defeito diferentes, eles usaram o supercomputador Hopper (um Cray XE6) para calcular as propriedades ópticas e eletrônicas da nanopartícula de silício oxidado com o pacote científico chamado Quantum Espresso.

p Para realizar seus cálculos, a equipe primeiro construiu modelos virtuais. Eles escavaram buracos virtuais computacionalmente em um óxido de silício cristalino (SiO ₂ ) matriz e pontos quânticos de silício inseridos de vários tamanhos, ciclos de computação de recozimento e resfriamento para criar uma interface mais realista entre os pontos quânticos e o SiO ₂ matriz. Finalmente, defeitos de ligação pendentes foram introduzidos na superfície dos pontos quânticos removendo alguns átomos selecionados.

p Ao calcular as propriedades eletrônicas e a taxa na qual os elétrons liberam energia, eles descobriram que os estados presos realmente causam escurecimento dos pontos quânticos. Ligações suspensas na superfície das nanopartículas de silício aprisionaram elétrons onde se recombinaram "não radiativamente", liberando calor. Isso é, os elétrons liberam o excesso de energia sem irradiar luz. Mas era um pouco mais complicado do que isso. O escurecimento também dependia da carga geral de todo o ponto quântico, a equipe encontrou.

p Às vezes, um elétron pode ficar preso no material em que um ponto está embutido, sílica neste caso, dando ao ponto uma carga geral positiva. Somente quando o elétron permanece preso na superfície do nanoponto, tornando-o neutro ou carregado negativamente, ele se deterioraria sem irradiar luz. "Então, quando o ponto está carregado positivamente, será brilhante. Quando é neutro ou carregado negativamente, esperamos que esteja escuro, "disse Nicholas P. Brawand, um estudante de pós-graduação da Universidade de Chicago que foi co-autor do estudo.

p Além de piscar

p Para chegar a seus resultados, os pesquisadores tiveram que conceber modelos realistas de pontos quânticos e calcular suas propriedades a partir do básico, princípios científicos, o que os cientistas chamam de cálculos ab intio (latim para "desde o início"). Esses cálculos levaram mais de 100, 000 horas de processador no Hopper. "Os cálculos necessários para chegar a essas conclusões foram bastante exigentes em termos computacionais, "disse Vörös." Não poderíamos ter feito nosso trabalho sem os recursos do NERSC. "

p "Nossos resultados são os primeiros cálculos ab initio relatados que mostram que ligações pendentes na superfície de nanopartículas de silício oxidadas podem atuar como centros de recombinação não radiativos eficientes, "disse a co-autora Giulia Galli, que é professor de Estrutura Eletrônica e Simulações da Família Liew no Instituto de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago. "Nossos resultados fornecem uma validação a priori da interpretação do papel que os defeitos de ligação pendentes desempenham em vários dispositivos fotônicos e optoeletrônicos."

p Além disso, as técnicas dos pesquisadores podem ser usadas para combater os efeitos do aprisionamento em células solares. "Trapping, o mesmo mecanismo físico que causa o piscar, pode realmente limitar a eficiência das células solares, "disse Vörös. '

p "Agora que testamos essa técnica, podemos aplicá-lo a células solares nanocristais, também, "Galli disse.