A montagem de heteroestruturas 2D do tipo Lego pode dar origem a propriedades e funcionalidades emergentes muito diferentes das características intrínsecas dos constituintes.
Cálculos de estrutura de banda baseados em teoria funcional de densidade (DFT) podem esclarecer as propriedades interfaciais de diferentes heteroestruturas.

Propriedades de interface de heteroestruturas de perovskita/TMD 2D

As heteroestruturas baseadas em diferentes materiais 2D resultaram em "novas" propriedades que podem ser significativamente diferentes daquelas dos materiais individuais. Tais heteroestruturas podem ser feitas pela montagem de diferentes tipos de materiais 2D atomicamente finos.

Uma dessas famílias de materiais 2D, as perovskitas 2D, apresentam propriedades fotofísicas interessantes e melhor estabilidade em comparação com as perovskitas típicas. No entanto, até agora, as métricas de desempenho de dispositivos optoeletrônicos de infravermelho próximo (NIR) / alcance visível de perovskitas 2D têm sido bastante ruins devido a certas limitações intrínsecas e específicas de materiais, como grandes bandgaps, energias de ligação de exciton excepcionalmente altas e baixa absorção óptica.

Um novo estudo liderado por pesquisadores da Monash University analisa uma metodologia para melhorar o desempenho do dispositivo optoeletrônico e estender as funcionalidades das perovskitas 2D, conjugando-as com dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) opticamente ativos. Perovskitas 2D e TMDs são estruturalmente diferentes, no entanto, podem formar interfaces limpas devido às interações de van der Waals entre as camadas empilhadas. Usando cálculos precisos dos primeiros princípios, os autores demonstram que a nova interface (alinhamento de banda) e propriedades de transporte são viáveis ​​em heteroestruturas 2D de perovskita/TMD que podem ser amplamente ajustadas com base na escolha apropriada dos constituintes.

Para entender as propriedades da interface com precisão, os autores criaram estruturas combinadas em treliça das interfaces e exploraram suas propriedades por meio de cálculos com uso intensivo de memória usando recursos de supercomputação.

Em sistemas específicos, os alinhamentos previstos do tipo II com NIR/bandgaps visíveis podem permitir absorção óptica aprimorada em energias comparativamente mais baixas. Além disso, deslocamentos de banda consideráveis ​​e a possibilidade de excitons intercamadas com energias de dissociação mais baixas podem levar a uma separação mais fácil entre as camadas dos portadores de carga excitados em dois materiais. Isso possibilita a obtenção de fotocorrentes mais altas e melhor eficiência das células solares. Os pesquisadores também prevêem a possibilidade de sistemas tipo I para dispositivos baseados em recombinação, como diodos emissores de luz e sistemas tipo III, para alcançar o transporte de túneis. Além disso, eles também mostram tolerância de deformação significativa em tais heteroestruturas 2D de perovskita/TMD, um pré-requisito para sensores flexíveis.

“No geral, essas descobertas demonstram que uma seleção de heteroestruturas guiada computacionalmente pode oferecer melhores plataformas do que materiais intrínsecos para aplicações específicas de dispositivos e ter potencial em dispositivos multifuncionais de próxima geração, como fotossensores flexíveis ou LEDs”, diz FLEET CI A/Prof Nikhil Medhekar que liderou o trabalho com Ph.D. estudante Abin Varghese e pesquisador de pós-doutorado Dr. Yuefeng Yin.

Ajuste de polaridade de correntes fotogeradas

Explorando ainda mais a física das heteroestruturas 2D, a equipe colaborou com experimentalistas liderados pelo Prof. Saurabh Lodha do IIT Bombay, Índia, para explicar o surgimento de um fenômeno optoeletrônico ainda não descoberto. No primeiro trabalho no WSe₂ /SnSe₂ heteroestruturas, após a iluminação, a polaridade da fotocorrente mostrou uma dependência do tipo de transporte elétrico (termiônico ou tunelamento) através da interface da heteroestrutura.

Os pesquisadores da Monash empregaram a teoria funcional da densidade baseada em cálculos de estrutura de banda dependentes do campo elétrico e atribuíram essa observação à natureza do alinhamento da banda na interface. Juntos, eles mostraram que uma mudança no alinhamento da banda do tipo II para o tipo III resultou em uma mudança na polaridade da fotocorrente de positiva para negativa.

Em termos de desempenho dos fotodetectores, a responsividade e o tempo de resposta são métricas cruciais. Neste estudo, uma alta responsividade negativa e um tempo de resposta rápido foram observados experimentalmente nos protótipos de dispositivos que são encorajadores para o desenvolvimento de dispositivos baseados em materiais 2D para aplicações práticas.

Em outra heteroestrutura compreendendo fósforo preto e MoS₂ , os experimentos ilustraram uma dependência do comprimento de onda da iluminação na polaridade da fotocondução. A fotocondutância negativa vista em comprimentos de onda específicos acima da borda de absorção de MoS₂ poderia ser controlada e reversivelmente sintonizado para fotocondutância positiva em comprimentos de onda mais baixos. O comprimento de onda limiar para cruzamento entre fotocondutância negativa e positiva teve uma dependência crucial das espessuras dos flocos. Cálculos de estrutura de banda dependente de espessura realizados por pesquisadores da Monash mostraram claramente a possibilidade de um aumento na recombinação de portadores de carga para espessuras específicas que poderiam levar a fotocondutância negativa, auxiliando assim as conclusões.

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