Modelo abrangente desvenda os efeitos da mecânica quântica por trás da fotoluminescência em filmes finos de ouro
a) Esquema dos processos que ocorrem após a absorção de fótons (equação 1), começando do ponto 1 e prosseguindo até o ponto 4. b) Esquema da abordagem de medição - um floco de ouro é excitado de cima e de baixo, e o sinal de fotoluminescência é registrado do mesmo lado inferior em ambas as medições. c) Dependência do comprimento de onda da relação entre estes dois sinais indicados em b. d) Luminescência resolvida em ângulo, juntamente com a dependência angular prevista. Crédito:Light:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01408-2 Os pesquisadores da EPFL desenvolveram o primeiro modelo abrangente dos efeitos da mecânica quântica por trás da fotoluminescência em filmes finos de ouro; uma descoberta que poderia impulsionar o desenvolvimento de combustíveis solares e baterias.
Sabe-se que a luminescência, ou a emissão de fótons por uma substância exposta à luz, ocorre em materiais semicondutores como o silício há centenas de anos. O comportamento em nanoescala dos elétrons à medida que absorvem e depois reemitem luz pode dizer muito aos pesquisadores sobre as propriedades dos semicondutores, razão pela qual eles são frequentemente usados como sondas para caracterizar processos eletrônicos, como aqueles que ocorrem dentro de células solares.
Em 1969, os cientistas descobriram que todos os metais luminescem até certo ponto, mas os anos seguintes não conseguiram produzir uma compreensão clara de como isso ocorre. O interesse renovado nesta emissão de luz, impulsionado pelo mapeamento de temperatura em nanoescala e aplicações fotoquímicas, reacendeu o debate em torno de suas origens. Mas a resposta ainda não estava clara – até agora.
“Desenvolvemos filmes de ouro metálico de altíssima qualidade, o que nos coloca em uma posição única para elucidar esse processo sem os fatores de confusão de experimentos anteriores”, diz Giulia Tagliabue, chefe do Laboratório de Nanociência para Tecnologias Energéticas (LNET) da Escola. de Engenharia.
Em um estudo recente publicado na Light:Science &Applications , Tagliabue e a equipe do LNET focaram os feixes de laser nos filmes de ouro extremamente finos - entre 13 e 113 nanômetros - e depois analisaram o brilho fraco resultante.
Os dados gerados a partir de seus experimentos precisos eram tão detalhados – e tão inesperados – que eles colaboraram com teóricos do Instituto de Ciência e Tecnologia de Barcelona, da Universidade do Sul da Dinamarca e do Instituto Politécnico Rensselaer (EUA) para retrabalhar e aplicar modelagem mecânica quântica. métodos.
A abordagem abrangente dos investigadores permitiu-lhes resolver o debate em torno do tipo de luminescência que emana dos filmes - fotoluminescência - que é definida pela forma específica como os electrões e os seus homólogos de carga oposta (buracos) se comportam em resposta à luz. Também lhes permitiu produzir o primeiro modelo completo e totalmente quantitativo deste fenómeno em ouro, que pode ser aplicado a qualquer metal.
Efeitos quânticos inesperados
Tagliabue explica que, a partir de uma fina película de ouro monocristalino produzida com uma nova técnica de síntese, a equipe estudou o processo de fotoluminescência à medida que tornava o metal cada vez mais fino. “Observamos certos efeitos da mecânica quântica surgindo em filmes de até 40 nanômetros, o que foi inesperado, porque normalmente para um metal, você não vê tais efeitos até ir bem abaixo de 10 nm”, diz ela.
Essas observações forneceram informações espaciais importantes sobre exatamente onde ocorreu o processo de fotoluminescência no ouro, o que é um pré-requisito para o uso do metal como sonda. Outro resultado inesperado do estudo foi a descoberta de que o sinal fotoluminescente (Stokes) do ouro poderia ser usado para sondar a temperatura da superfície do próprio material – uma vantagem para os cientistas que trabalham em nanoescala.
"Para muitas reações químicas na superfície dos metais, há um grande debate sobre por que e em que condições essas reações ocorrem. A temperatura é um parâmetro chave, mas medir a temperatura em nanoescala é extremamente difícil, porque um termômetro pode influenciar sua medição. Portanto, é uma enorme vantagem poder sondar um material usando o próprio material como sonda", diz Tagliabue.
Um padrão ouro para o desenvolvimento de combustível solar
Os pesquisadores acreditam que suas descobertas permitirão que os metais sejam usados para obter informações detalhadas sem precedentes sobre as reações químicas, especialmente aquelas envolvidas na pesquisa energética. Metais como ouro e cobre – o próximo alvo de pesquisa do LNET – podem desencadear certas reações importantes, como a redução do dióxido de carbono (CO2 ) de volta a produtos baseados em carbono, como combustíveis solares, que armazenam energia solar em ligações químicas.
“Para combater as alterações climáticas, precisaremos de tecnologias para converter CO2 em outros produtos químicos úteis de uma forma ou de outra", diz Alan Bowman, pós-doutorando da LNET, primeiro autor do estudo.
"Usar metais é uma forma de fazer isso, mas se não tivermos uma boa compreensão de como essas reações acontecem em suas superfícies, não poderemos otimizá-las. A luminescência oferece uma nova maneira de entender o que está acontecendo nesses metais ."
