É hora do lanche:você tem um biscoito de aveia simples, e uma pilha de gotas de chocolate. Ambos são deliciosos por conta própria, mas se você encontrar uma maneira de combiná-los sem problemas, você obtém o melhor dos dois mundos.

Pesquisadores do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação de Edward S. Rogers sênior usaram esse insight para inventar algo totalmente novo:eles combinaram dois materiais promissores de células solares pela primeira vez, criando uma nova plataforma para a tecnologia LED.

A equipe projetou uma maneira de incorporar nanopartículas fortemente luminescentes chamadas de pontos quânticos coloidais (os pedaços de chocolate) em perovskita (o biscoito de aveia). As perovskitas são uma família de materiais que podem ser facilmente fabricados a partir de solução, e que permitem que os elétrons se movam rapidamente através deles com perda mínima ou captura por defeitos.

O trabalho está publicado na revista internacional Natureza em 15 de julho, 2015

"É uma ideia muito nova combinar esses dois materiais optoeletrônicos, ambos estão ganhando muita força, "diz Xiwen Gong, um dos principais autores do estudo e candidato a doutorado trabalhando com o professor Ted Sargent. "Queríamos aproveitar os benefícios de ambos, combinando-os perfeitamente em uma matriz de estado sólido."

O resultado é um cristal preto que depende da matriz perovskita para "canalizar" elétrons para os pontos quânticos, que são extremamente eficientes na conversão de eletricidade em luz. As tecnologias de LED hipereficientes podem permitir aplicações de lâmpadas LED de luz visível em todas as casas, para novos monitores, para reconhecimento de gestos usando comprimentos de onda do infravermelho próximo.

"Quando você tenta colocar dois cristais diferentes juntos, eles costumam formar fases separadas sem se misturarem suavemente, "diz o Dr. Riccardo Comin, pós-doutorado no Sargent Group. "Tivemos que projetar uma nova estratégia para =convencer esses dois componentes a esquecer suas diferenças e a se misturar na formação de uma entidade cristalina única."

O principal desafio era fazer com que a orientação das duas estruturas cristalinas se alinhassem, chamado heteroexpitaxy. Para alcançar heteroepitaxia, Gongo, Comin e sua equipe desenvolveram uma maneira de conectar as 'extremidades' atômicas das duas estruturas cristalinas para que se alinhassem suavemente, sem formação de defeitos nas costuras. "Começamos construindo uma 'concha' de andaime em escala nanométrica em torno dos pontos quânticos em solução, em seguida, cresceu o cristal de perovskita em torno dessa concha para que as duas faces se alinhassem, "explicou o co-autor Dr. Zhijun Ning, que contribuiu para o trabalho enquanto era pós-doutorando na UofT e agora é membro do corpo docente da ShanghaiTech.

O material heterogêneo resultante é a base para uma nova família de LEDs infravermelhos de alta eficiência energética. LEDs infravermelhos podem ser aproveitados para melhorar a tecnologia de visão noturna, para uma melhor imagem biomédica, às telecomunicações de alta velocidade.

Combinar os dois materiais desta forma também resolve o problema de auto-absorção, que ocorre quando uma substância reabsorve parcialmente o mesmo espectro de energia que emite, com uma perda de eficiência líquida. “Esses pontos na perovskita não sofrem reabsorção, porque a emissão dos pontos não se sobrepõe ao espectro de absorção da perovskita, "explica Comin.

Gongo, Comin e a equipe projetaram deliberadamente seu material para ser compatível com o processamento de solução, para que pudesse ser facilmente integrado com as formas mais baratas e comercialmente práticas de fabricação de filmes e dispositivos solares. A próxima etapa é construir e testar o hardware para capitalizar o conceito que eles provaram com este trabalho.

"Vamos construir o dispositivo LED e tentar bater o recorde de eficiência energética relatado na literatura, "diz Gong.