Aproveitar a energia do sol e criar dispositivos de captação ou detecção de luz requer um material que absorva a luz com eficiência e converta a energia em corrente elétrica altamente móvel. Encontrar a combinação ideal de propriedades em um único material é um desafio, portanto, os cientistas têm experimentado maneiras de combinar diferentes materiais para criar "híbridos" com recursos aprimorados.

Em dois artigos recém-publicados, cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA, Stony Brook University, e a Universidade de Nebraska descreve uma abordagem que combina as excelentes propriedades de coleta de luz dos pontos quânticos com a condutividade elétrica ajustável de um semicondutor dissulfeto de estanho em camadas. O material híbrido exibiu propriedades aprimoradas de coleta de luz por meio da absorção de luz pelos pontos quânticos e sua transferência de energia para dissulfeto de estanho, tanto em testes de laboratório quanto quando incorporados a dispositivos eletrônicos. A pesquisa abre caminho para o uso desses materiais em aplicações optoeletrônicas, como fotovoltaicos para captação de energia, sensores de luz, e diodos emissores de luz (LEDs).

De acordo com Mircea Cotlet, o físico-químico que liderou este trabalho no Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN), um DOE Office of Science User Facility, "Os dichalcogenetos metálicos bidimensionais como o dissulfeto de estanho têm algumas propriedades promissoras para a conversão de energia solar e aplicações fotodetectoras, incluindo uma alta proporção de superfície para volume. Mas nenhum material semicondutor tem tudo. Esses materiais são muito finos e não absorvem luz. Então, estávamos tentando misturá-los com outros nanomateriais, como pontos quânticos que absorvem luz, para melhorar seu desempenho por meio da transferência de energia. "

Um jornal, acabei de publicar no jornal ACS Nano , descreve um estudo fundamental do próprio material de dissulfeto de estanho / ponto quântico híbrido. O trabalho analisa como a luz excita os pontos quânticos (feitos de um núcleo de seleneto de cádmio cercado por uma camada de sulfeto de zinco), que então transfere a energia absorvida para camadas próximas de dissulfeto de estanho.

"Nós criamos uma abordagem interessante para discriminar a transferência de energia da transferência de carga, dois tipos comuns de interações promovidas pela luz em tais híbridos, "disse Prahlad Routh, um estudante de graduação da Stony Brook University trabalhando com Cotlet e co-primeiro autor do ACS Nano papel. "Fazemos isso usando espectroscopia de nanocristal único para observar como os pontos quânticos individuais piscam ao interagir com dissulfeto de estanho semelhante a uma folha. Este método simples pode avaliar se os componentes em tais híbridos semicondutores interagem por energia ou por transferência de carga."

Os pesquisadores descobriram que a taxa de transferência de energia não radiativa de pontos quânticos individuais para dissulfeto de estanho aumenta com o aumento do número de camadas de dissulfeto de estanho. Mas o desempenho em testes de laboratório não é suficiente para provar os méritos de novos materiais em potencial. Então, os cientistas incorporaram o material híbrido em um dispositivo eletrônico, um transistor de efeito de campo fotográfico, um tipo de detector de fótons comumente usado para aplicações de detecção de luz.

Conforme descrito em um artigo publicado online em 24 de março em Cartas de Física Aplicada , o material híbrido aumentou dramaticamente o desempenho dos transistores de efeito de foto-campo - resultando em uma resposta de fotocorrente (conversão de luz em corrente elétrica) que foi 500 por cento melhor do que os transistores feitos com o material de dissulfeto de estanho sozinho.

"Este tipo de transferência de energia é um processo chave que permite a fotossíntese na natureza, "disse Chang-Yong Nam, um cientista de materiais no Center for Functional Nanomaterials e co-autor correspondente do artigo APL. "Os pesquisadores têm tentado emular este princípio em dispositivos elétricos de coleta de luz, mas tem sido difícil, especialmente para novos sistemas de materiais, como o dissulfeto de estanho que estudamos. Nosso dispositivo demonstra os benefícios de desempenho obtidos pelo uso de processos de transferência de energia e novos materiais de baixa dimensão. "

Cotlet conclui, "A ideia de 'dopar' materiais bidimensionais em camadas com pontos quânticos para aumentar suas propriedades de absorção de luz se mostra promissora para o design de células solares e fotodetectores melhores."