Optoeletrônica - tecnologia que emite, detecta, ou controla a luz - são usados ​​em todos os lugares da eletrônica moderna e incluem dispositivos como diodos emissores de luz (LEDs) e células solares. Dentro desses dispositivos, o movimento dos excitons (pares de elétrons negativos e buracos positivos) determina o desempenho do dispositivo.

Até agora, a distância que os excitons podiam viajar em sistemas optoeletrônicos convencionais era de cerca de 30-70 nanômetros, e não havia como visualizar diretamente como os excitons se movem. Em um estudo publicado recentemente em ACS Nano , uma equipe de pesquisadores da Foundry projetou e fez um sistema nanocristal no qual os excitons podem se mover a uma distância recorde de 200 nanômetros, uma ordem de magnitude maior do que era possível anteriormente. Eles também construíram um microscópio personalizado que pode visualizar diretamente o movimento dos excitons.

"A conquista científica é que encontramos um sistema artificial no qual um exciton salta de cristal em cristal por distâncias muito longas, dez vezes mais longe do que anteriormente alcançado, "disse Alex Weber-Bargioni, diretor da instalação de Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility da Molecular Foundry e principal investigador do estudo. "Depois, há a conquista técnica - somos capazes de visualizar diretamente o movimento dos excitons para entender melhor seu comportamento."

Seu sistema consiste em minúsculos cristais de perovskitas, uma classe de cristais que estão emergindo como materiais promissores para dispositivos optoeletrônicos.

"Nanocristais de perovskita se formam em uma forma cúbica, o que os torna fáceis de embalar juntos, "explicou Monica Lorenzon, é pós-doutoranda na Fundição e autora deste trabalho. "Mas eles não fazem isso naturalmente em longas distâncias." Lorenzon descreveu como sua colega Erika Penzo, primeiro autor do artigo, revestiu uma superfície de silício com um polímero contendo grupos químicos aos quais os nanocristais de perovskita se ligariam, formando uma única camada de nanocristais de perovskita firmemente compactados. Esse processo de engenharia de superfície resultou em um sistema nanocristal no qual os excitons podiam se mover de cristal em cristal por distâncias muito longas.

Este sistema forneceu aos pesquisadores um estudo de caso útil para observar como os excitons se movem, ou difuso, com mais profundidade. "Em optoeletrônica, se você está convertendo luz em eletricidade ou vice-versa, você deseja ser capaz de sintonizar e controlar a difusão dos excitons porque eles são os mediadores da luz e da eletrônica ”, disse Weber-Bargioni.

No passado, o movimento do exciton foi medido adicionando defeitos, imperfeições em um cristal que prendem excitons. Os pesquisadores puderam rastrear o movimento dos excitons indiretamente, comparando amostras com diferentes quantidades de defeitos. "Mas nosso sistema é muito mais direto, "explicou Lorenzon." Nós podemos realmente visualizar o movimento do exciton através de imagens diretamente com um microscópio customizado. Este método também resulta em medições mais precisas, em comparação com a gama de comprimentos de difusão que podem ser medidos de forma indireta. "

O princípio básico do microscópio é que um laser é usado para excitar (transferir energia para) o material, resultando em um ponto animado. À medida que essa energia é liberada, a fotoluminescência (luz emitida pelo material) no mesmo local será um ponto mais amplo, como uma gota d'água em uma toalha de papel que se expande para fora com o tempo. Ao comparar o ponto excitado com o ponto fotoluminescente, a distância média que os excitons se movem pode ser medida, resultando no comprimento de difusão recorde de 200 nanômetros. "Nós atingimos a amostra com um feixe de laser e se filtrarmos a luz do laser e olharmos para a luz fotoluminescente, obtemos um ponto muito mais amplo, que é a difusão de excitons pela amostra, "explicou Lorenzon.

Adicionando resolução de tempo, o microscópio também é capaz de observar a dinâmica dos excitons, e verificou-se que primeiro se difundem rapidamente e depois diminuem a velocidade. Essa compreensão aprimorada de como os excitons se movem pode ajudar a melhorar o desempenho dos dispositivos optoeletrônicos, onde é útil ajustar comprimentos de difusão de excitons para diferentes aplicações, como ter comprimentos de difusão longos em células solares e comprimentos de difusão curtos em LEDs.

Em um acompanhamento a este estudo, os pesquisadores exploraram métodos diferentes (plasma vs térmico) para adicionar um fino, camada protetora para os nanocristais de perovskita. Como essa camada protetora permite que os nanocristais vivam por mais tempo, os excitons podem viajar distâncias maiores, o que resultou em um comprimento de difusão de excitons ainda mais longo, de 480 nanômetros.

O microscópio personalizado também foi aprimorado para incluir resolução de energia. Isso revelou que a energia permanece a mesma à medida que os excitons se movem através da amostra revestida por meio do processo de plasma, ao passo que a energia diminui à medida que os excitons ficam presos em defeitos e grandes cristais formados por nanocristais derretidos na amostra revestida por meio do processo térmico. Este trabalho foi recentemente aceito em Advanced Optical Materials.

Seguindo em frente, os pesquisadores estão interessados ​​em observar diferentes classes de materiais e diferentes tipos de difusão de excitons usando seu microscópio. Eles também estão investigando se o movimento dos excitons pode ser coerente, ou mova-se em sincronia com o outro.