Cristais fortemente compactados em um semicondutor nanocristal:o modelo desenvolvido por pesquisadores da ETH descreve cada átomo. Crédito:ETH Zurich / Nature Communications
Pesquisadores da ETH forneceram a primeira explicação teórica de como a corrente elétrica é conduzida em semicondutores feitos de nanocristais. No futuro, isso pode levar ao desenvolvimento de novos sensores, lasers ou LEDs para telas de TV.
Alguns anos atrás, fomos apresentados a telas de TV com tecnologia QLED que produz cores brilhantes. O "Q" aqui significa "ponto quântico". Os pontos quânticos são cristais de um material semicondutor com apenas alguns nanômetros de tamanho que consistem em alguns milhares de átomos. Esses nanocristais são tão minúsculos que os elétrons neles só podem assumir certos níveis de energia da mecânica quântica bem definidos. Como consequência, quando os pontos quânticos são iluminados pela luz de fundo de uma TV, a luz de uma determinada cor é emitida por saltos quânticos entre esses níveis.
Na próxima geração de TVs QLED, a esperança é usar eletricidade para fazer os pontos quânticos brilharem por conta própria, em vez de precisarem de uma luz de fundo. Até agora, Contudo, faltava a compreensão teórica de como a corrente elétrica se move através de uma fina película de nanocristais. Uma equipe de pesquisadores do Departamento de Tecnologia da Informação e Engenharia Elétrica da ETH Zurique liderada por Vanessa Wood já fechou essa lacuna, como relatam na revista científica Nature Communications .
Colchão de molas vs tampo da mesa
A teoria de como a corrente elétrica se move em semicondutores que não são nanométricos é conhecida há mais de noventa anos e existem ferramentas de software para modelar seu comportamento. A indústria pode controlar as propriedades eletrônicas dos semicondutores adicionando deliberadamente átomos de impureza (dopagem), que muda o número de portadores de carga livre (elétrons). Por contraste, semicondutores consistindo de muitos pequenos pontos quânticos nanocristais não podem ser tratados com esses métodos.
Em nanocristais, adicionar átomos de impureza não leva necessariamente a portadores de carga gratuita. Além disso, taxas gratuitas não se comportam da mesma maneira. "Os portadores de carga em um semicondutor normal se movem como bolas de boliche rolando em uma mesa lisa, enquanto em um material nanocristal eles agem como bolas de boliche em um colchão macio, afundando e deformando-o, "Wood ilustra o problema.
Modelagem exigente
Em um semicondutor nanocristal, a corrente elétrica é transmitida por elétrons saltando de nanocristal para nanocristal. A cada salto, a carga do elétron deforma o nanocristal (canto superior esquerdo), formando um polaron (canto superior direito). Crédito:ETH Zurique
Para a modelagem teórica, isso significa que os átomos na estrutura cristalina do semicondutor nanocristal não podem ser simplesmente vistos como pontos estacionários, que é o que geralmente é feito com semicondutores normais. "Em vez, tivemos que descrever matematicamente cada uma das várias centenas de milhares de átomos nos muitos nanocristais do material, e como cada átomo interage com os portadores de carga, "explica Nuri Yazdani, que trabalhou no grupo de pesquisa de Wood como um Ph.D. estudante e é o primeiro autor do estudo publicado recentemente.
Usando o Swiss Supercomputing Center CSCS em Lugano, Yazdani executou um código complexo no qual todos os detalhes do problema - o movimento dos elétrons e dos átomos, bem como as interações entre eles - foram levados em consideração. "Em particular, queríamos entender como os portadores de carga se movem entre os nanocristais individuais e por que eles ficam 'presos' e não podem continuar, "diz Yazdani.
Os resultados dessas simulações de computador foram extremamente reveladores. Descobriu-se que o fator determinante em como um material composto de muitos nanocristais conduz a corrente elétrica são as menores deformações dos cristais, apenas alguns milésimos de nanômetro, que levam a uma grande mudança na energia eletrostática. Quando a carga deforma o material ao seu redor, isso é conhecido como polaron, e as simulações de Yazdani mostram que a corrente flui através dos polarons, saltando de um nanocristal para o outro.
Um modelo explica tudo
O modelo explica como as propriedades eletrônicas dos semicondutores baseados em nanocristais são alteradas ao variar o tamanho dos nanocristais e como eles se compactam no filme. Para testar as previsões de suas simulações, a equipe produziu filmes finos de nanocristais em laboratório e mediu a resposta elétrica para diferentes tensões e temperaturas aplicadas. Nesses experimentos, eles criaram elétrons livres em uma extremidade do material usando um pulso de laser curto e então observaram quando eles chegaram na outra extremidade. O resultado:para cada uma das centenas de testes diferentes, a simulação de computador previu perfeitamente as propriedades elétricas.
“Após oito anos de intenso trabalho, agora criamos um modelo que pode finalmente explicar quantitativamente não apenas nossos experimentos, mas também de muitos outros grupos de pesquisa nos últimos anos, "diz Wood." Tal modelo permitirá que pesquisadores e engenheiros no futuro calculem as propriedades de um semicondutor nanocristal antes de ser produzido. "Isso deve permitir a otimização de tais materiais para aplicações específicas." isso tinha que ser feito por tentativa e erro, "Wood acrescenta.
Usando os resultados dos pesquisadores da ETH, no futuro, semicondutores úteis poderiam ser desenvolvidos a partir de materiais nanocristais para várias aplicações em sensores, lasers ou LEDs - também para telas de TV. Como a composição, Tamanho, e o arranjo dos nanocristais pode ser controlado durante sua produção, tais materiais prometem uma variedade muito mais ampla de propriedades elétricas do que os semicondutores tradicionais.
