Nanocristais semicondutores brilhantes conhecidos como pontos quânticos dão às telas de TV QLED suas cores vibrantes. Mas as tentativas de aumentar a intensidade dessa luz geram calor em vez disso, reduzindo a eficiência de produção de luz dos pontos.

Um novo estudo explica por que, e os resultados têm amplas implicações para o desenvolvimento de futuras tecnologias quânticas e fotônicas, onde a luz substitui elétrons em computadores e fluidos em refrigeradores, por exemplo.

Em uma tela de TV QLED, os pontos absorvem a luz azul e a transformam em verde ou vermelha. Nas baixas energias em que as telas de TV operam, esta conversão de luz de uma cor para outra é virtualmente 100% eficiente. Mas nas energias de excitação mais altas necessárias para telas mais brilhantes e outras tecnologias, a eficiência cai drasticamente. Os pesquisadores tinham teorias sobre por que isso acontece, mas ninguém jamais o havia observado em escala atômica até agora.

Descobrir mais, cientistas do Laboratório Nacional de Aceleração SLAC do Departamento de Energia usaram uma "câmera de elétrons" de alta velocidade para observar os pontos transformando a luz laser de alta energia em suas próprias emissões de luz brilhante.

Os experimentos revelaram que a luz do laser de alta energia que chega ejeta elétrons dos átomos do ponto, e seus orifícios correspondentes - pontos vazios com cargas positivas que são livres para se mover - ficam presos na superfície do ponto, produzindo calor residual indesejado.

Além disso, elétrons e lacunas se recombinam de forma a liberar energia térmica adicional. Isso aumenta a agitação dos átomos do ponto, deforma sua estrutura de cristal e desperdiça ainda mais energia que poderia ter sido usada para tornar os pontos mais brilhantes.

"Isso representa uma forma chave pela qual a energia é sugada para fora do sistema sem dar origem à luz, "disse Aaron Lindenberg, um professor associado da Universidade de Stanford e pesquisador do Instituto de Stanford para Ciências dos Materiais e Energia do SLAC, que conduziu o estudo com o pesquisador de pós-doutorado Burak Guzelturk.

"Tentar descobrir o que está por trás desse processo tem sido objeto de estudo por décadas, "disse ele." Esta é a primeira vez que pudemos ver o que os átomos estão realmente fazendo enquanto a energia do estado de excitação está sendo perdida na forma de calor. "

A equipe de pesquisa, que incluiu cientistas do SLAC, Stanford, a Universidade da Califórnia, Berkeley e o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE, descreveu os resultados em Nature Communications hoje.

Emitindo um puro, brilho brilhante

Apesar de seu tamanho minúsculo - eles têm quase o mesmo diâmetro de quatro fitas de DNA - os nanocristais de pontos quânticos são surpreendentemente complexos e altamente projetados. Eles emitem luz extremamente pura, cuja cor pode ser ajustada ajustando seu tamanho, forma, composição e química de superfície. Os pontos quânticos usados ​​neste estudo foram inventados há mais de duas décadas, e hoje eles são amplamente usados ​​em brilhantes, monitores com eficiência energética e em ferramentas de imagem para biologia e medicina.

Compreender e corrigir problemas que impedem que os pontos sejam mais eficientes em energias mais altas é um campo de pesquisa muito quente agora, disse Guzelturk, que realizou experimentos no SLAC com o pesquisador de pós-doutorado Ben Cotts.

Estudos anteriores se concentraram em como os elétrons dos pontos se comportavam. Mas neste estudo, a equipe foi capaz de ver os movimentos de átomos inteiros, também, com uma câmera de elétrons conhecida como MeV-UED. Ele atinge amostras com pulsos curtos de elétrons com energias muito altas, medido em milhões de elétronvolts (MeV). Em um processo chamado difração de elétrons ultrarrápida (UED), os elétrons se espalham para fora da amostra e para os detectores, criando padrões que revelam o que os elétrons e os átomos estão fazendo.

Como a equipe SLAC / Stanford mediu o comportamento de pontos quânticos que foram atingidos por vários comprimentos de onda e intensidades de luz laser, Os alunos de graduação da UC Berkeley, Dipti Jasrasaria e John Philbin, trabalharam com o químico teórico de Berkeley Eran Rabani para calcular e compreender a interação resultante de movimentos eletrônicos e atômicos de um ponto de vista teórico.

"Nos encontramos com os experimentadores com bastante frequência, "Rabani disse." Eles vieram com um problema e começamos a trabalhar juntos para entendê-lo. Os pensamentos iam e voltavam, mas foi tudo semeado a partir dos experimentos, que foram um grande avanço na capacidade de medir o que acontece com a rede atômica dos pontos quânticos quando ela está intensamente excitada. "

Um futuro de tecnologia baseada em luz

O estudo foi realizado por pesquisadores em um Centro de Pesquisa do DOE Energy Frontier, Fotônica nos Limites Termodinâmicos, liderado por Jennifer Dionne, professor associado de ciência e engenharia de materiais de Stanford e vice-reitor associado sênior de plataformas de pesquisa / instalações compartilhadas. Seu grupo de pesquisa trabalhou com o grupo de Lindenberg para ajudar a desenvolver a técnica experimental para sondar os nanocristais.

O objetivo final do centro, Dionne disse, é demonstrar processos fotônicos, como absorção e emissão de luz, nos limites do que a termodinâmica permite. Isso poderia trazer tecnologias como refrigeração, aquecimento, resfriamento e armazenamento de energia - bem como computadores quânticos e novos motores para exploração espacial - movidos inteiramente por luz.

"Para criar ciclos termodinâmicos fotônicos, você precisa controlar precisamente como a luz, aquecer, átomos, e os elétrons interagem nos materiais, "Dionne disse." Este trabalho é empolgante porque fornece uma lente sem precedentes nos processos eletrônicos e térmicos que limitam a eficiência de emissão de luz. As partículas estudadas já apresentam rendimentos quânticos recordes, mas agora há um caminho para o design de materiais ópticos quase perfeitos. "Essas altas eficiências de emissão de luz poderiam abrir uma série de grandes aplicações futurísticas, tudo impulsionado por minúsculos pontos testados com elétrons ultrarrápidos.