Pesquisadores do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE), trabalhando com colegas da Penn State University, descobriram dinâmicas surpreendentes no comportamento de elétrons excitados em um material prototípico de perovskita. Usando microscopia eletrônica ultrarrápida, a equipe foi capaz de capturar mudanças estruturais em nanoescala que ocorrem em picossegundos de excitação, revelando que elétrons quentes podem reorganizar átomos transitoriamente. Esses insights, relatados na Nature Communications, podem ter implicações para o projeto e otimização de materiais e dispositivos optoeletrônicos de próxima geração, como células solares, sensores e diodos emissores de luz (LEDs).

As perovskitas, uma classe de materiais que adotam uma estrutura cristalina específica, surgiram recentemente como candidatas promissoras para diversas aplicações optoeletrônicas devido às suas excelentes propriedades de absorção de luz e custo relativamente baixo. No entanto, ainda falta uma compreensão fundamental de como estes materiais respondem à excitação luminosa, dificultando futuras melhorias e aplicações práticas.

Neste estudo, os pesquisadores usaram um microscópio eletrônico ultrarrápido de última geração, localizado no Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) do Brookhaven Lab, para capturar mudanças estruturais em nanocristais individuais de perovskita de brometo de chumbo e césio (CsPbBr3) após excitação de luz ultrarrápida. O design exclusivo do microscópio do CFN permitiu à equipe gravar imagens de alta resolução com uma resolução temporal de apenas alguns picossegundos.

Os resultados revelaram que poucos picossegundos depois que os nanocristais absorveram a luz, sua estrutura cristalina – normalmente distorcida devido ao arranjo dos átomos internos – sofreu uma transformação, tornando-se mais simétrica. Este endireitamento inesperado da rede foi atribuído ao movimento de elétrons altamente energéticos ou "quentes", que se redistribuíram transitoriamente dentro dos nanocristais.

O autor principal, Ming-Chang Chen, cientista do Laboratório Brookhaven, forneceu informações sobre os resultados experimentais:“Descobrimos que o rearranjo da rede está intimamente ligado à dinâmica de relaxamento dos elétrons quentes, que são os principais transportadores de energia em dispositivos fotovoltaicos e optoeletrônicos. Ao controlar esses processos ultrarrápidos, poderíamos melhorar a eficiência desses dispositivos”.

O endireitamento da rede observado pode ter implicações importantes para a compreensão das propriedades movidas pela luz e do desempenho das perovskitas. Por exemplo, em células solares, as mudanças transitórias na rede podem afetar o movimento e a separação dos portadores de carga, influenciando a capacidade da célula de converter luz em eletricidade.

"Nossas descobertas abrem novos caminhos para explorar e controlar as propriedades das perovskitas em nanoescala", acrescentou o autor correspondente James M. Kikkawa, físico do Departamento de Física da Matéria Condensada e Ciência de Materiais do Brookhaven Lab. "Ao manipular esses processos ultrarrápidos, podemos melhorar potencialmente a eficiência e o desempenho de dispositivos baseados em perovskita para uma variedade de aplicações."

A equipe de pesquisa planeja investigar mais a fundo essas dinâmicas ultrarrápidas em diferentes materiais de perovskita e explorar estratégias potenciais para manipulá-las e aproveitá-las para aplicações práticas.