Cientistas do Center for Functional Nanomaterials (CFN) - um Departamento de Energia dos EUA (DOE) Office of Science User Facility no Brookhaven National Laboratory - usaram uma técnica de imagem optoeletrônica para estudar o comportamento eletrônico de nanomateriais atomicamente finos expostos à luz. Combinado com imagens ópticas em nanoescala, esta técnica de microscopia fotocorrente de varredura fornece uma ferramenta poderosa para a compreensão dos processos que afetam a geração de corrente elétrica (fotocorrente) nesses materiais. Esse entendimento é a chave para melhorar o desempenho das células solares, sensores ópticos, diodos emissores de luz (LEDs), e outros optoeletrônicos - dispositivos eletrônicos que dependem de interações luz-matéria para converter luz em sinais elétricos ou vice-versa.

"Qualquer pessoa que queira saber como a corrente elétrica induzida pela luz é distribuída por um semicondutor se beneficiará com essa capacidade, "disse o cientista de materiais da CFN Mircea Cotlet, co-autor correspondente no artigo de 17 de maio Advanced Functional Materials que descreve o trabalho.

Gerando uma corrente elétrica

Quando atingido pela luz, semicondutores (materiais que têm uma resistência elétrica entre a dos metais e os isoladores) geram uma corrente elétrica. Semicondutores que consistem em uma camada ou algumas camadas de átomos, por exemplo, grafeno, que tem uma única camada de átomos de carbono - são de interesse particular para optoeletrônica de próxima geração por causa de sua sensibilidade à luz, que pode alterar controladamente sua condutividade elétrica e flexibilidade mecânica. Contudo, a quantidade de luz que os semicondutores atomicamente finos podem absorver é limitada, limitando assim a resposta dos materiais à luz.

Para melhorar as propriedades de coleta de luz desses materiais bidimensionais (2-D), os cientistas adicionam partículas semicondutoras minúsculas (10–50 átomos de diâmetro) chamadas pontos quânticos na (s) camada (s). Os nanomateriais "híbridos" resultantes não apenas absorvem mais luz, mas também têm interações que ocorrem na interface onde os dois componentes se encontram. Dependendo de seu tamanho e composição, os pontos quânticos excitados pela luz irão transferir carga ou energia para o material 2-D. Saber como esses dois processos influenciam a resposta de fotocorrente do material híbrido sob diferentes condições ópticas e elétricas - como a intensidade da luz de entrada e a voltagem aplicada - é importante para projetar dispositivos optoeletrônicos com propriedades adaptadas para aplicações específicas.

"Os fotodetectores detectam um nível extremamente baixo de luz e convertem essa luz em um sinal elétrico, "explicou Cotlet." Por outro lado, dispositivos fotovoltaicos, como células solares, são feitos para absorver o máximo de luz possível para produzir corrente elétrica. A fim de projetar um dispositivo que opera para fotodetecção ou aplicações fotovoltaicas, precisamos saber qual dos dois processos - carga ou transferência de energia - é benéfico. "

Acender processos de transferência de carga e energia

Neste estudo, os cientistas do CFN combinaram dissulfeto de molibdênio atomicamente fino com pontos quânticos. Bissulfeto de molibdênio é um dos dichalcogenetos de metais de transição, compostos semicondutores com um metal de transição (neste caso, camada de molibdênio) ensanduichada entre duas camadas finas de um elemento calcogênio (neste caso, enxofre). Para controlar as interações interfaciais, eles projetaram dois tipos de pontos quânticos:um com uma composição que favorece a transferência de carga e outro com uma composição que favorece a transferência de energia.

"Ambos os tipos têm seleneto de cádmio em seu núcleo, mas um dos núcleos é cercado por uma casca de sulfeto de zinco, "explicou o pesquisador associado da CFN e primeiro autor Mingxing Li." A casca é um espaçador físico que impede a transferência de carga. Os pontos quânticos da camada central promovem a transferência de energia, enquanto os pontos quânticos apenas com núcleo promovem a transferência de carga. "

Os cientistas usaram a sala limpa na Instalação de Nanofabricação do CFN para fazer dispositivos com os nanomateriais híbridos. Para caracterizar o desempenho desses dispositivos, eles conduziram estudos de microscopia fotocorrente de varredura com um microscópio óptico construído internamente usando o equipamento existente e o software de controle de instrumento GXSM de código aberto desenvolvido pelo físico CFN e co-autor Percy Zahl. Em microscopia fotocorrente de varredura, um feixe de laser é varrido através do dispositivo enquanto a fotocorrente é medida em diferentes pontos. Todos esses pontos são combinados para produzir um "mapa" de corrente elétrica. Como a carga e a transferência de energia têm assinaturas elétricas distintas, os cientistas podem usar essa técnica para determinar qual processo está por trás da resposta da fotocorrente observada.

Os mapas neste estudo revelaram que a resposta da fotocorrente foi mais alta em baixa exposição à luz para o dispositivo híbrido core-only (transferência de carga) e em alta exposição à luz para o dispositivo híbrido core-shell (transferência de energia). Esses resultados sugerem que a transferência de carga é extremamente benéfica para o dispositivo que funciona como um fotodetector, e a transferência de energia é preferida para aplicações fotovoltaicas.

"Distinguir transferência de energia e carga exclusivamente por técnicas ópticas, como microscopia de imagem de vida útil de fotoluminescência, é um desafio porque ambos os processos reduzem a vida útil da luminescência em graus semelhantes, "disse o cientista de materiais CFN e co-autor correspondente Chang-Yong Nam." Nossa investigação demonstra que as medições optoeletrônicas combinando excitação óptica localizada e geração de fotocorrente podem não apenas identificar claramente cada processo, mas também sugerir aplicações de dispositivos optoeletrônicos potenciais adequados para cada caso. "

“No CFN, conduzimos experimentos para estudar como os nanomateriais funcionam em condições reais de operação, "disse Cotlet." Neste caso, combinamos a experiência óptica do Grupo Soft and Bio Nanomaterials, fabricação de dispositivos e especialização em caracterização elétrica do Grupo de Nanomateriais Eletrônicos, e expertise em software do Interface Science and Catalysis Group para desenvolver uma capacidade no CFN que permitirá aos cientistas estudar processos optoeletrônicos em uma variedade de materiais 2-D. A nova instalação de microscopia fotocorrente de varredura está agora aberta para usuários CFN, e esperamos que essa capacidade atraia mais usuários às instalações de fabricação e caracterização do CFN para estudar e melhorar o desempenho dos dispositivos optoeletrônicos. "