Investigadores del Instituto de Física del Estado Sólido trazan un enfoque radicalmente nuevo para diseñar propiedades ópticas y electrónicas de materiales en Materiales avanzados .

El diseño de materiales computacionales se utiliza tradicionalmente para mejorar y desarrollar aún más los materiales ya existentes. Las simulaciones brindan una visión profunda de los efectos de la mecánica cuántica que determinan las propiedades de los materiales. Egbert Zojer y su equipo en el Instituto de Física del Estado Sólido de TU Graz van un paso decisivo más allá de eso:utilizan simulaciones por computadora para proponer un concepto completamente nuevo para controlar las propiedades electrónicas de los materiales. Influencias potencialmente perturbadoras que surgen de la disposición regular de los elementos polares, los llamados efectos electrostáticos colectivos, son utilizados por el grupo de investigación para manipular intencionalmente las propiedades de los materiales. Que este enfoque radicalmente nuevo también funciona para materiales tridimensionales ha sido demostrado por el equipo de Graz en Materiales avanzados , que según Google Scholar es la revista más importante a nivel internacional en el campo de la investigación de materiales.

Manipulación del paisaje de materiales energéticos

"El enfoque básico del concepto de diseño electrostático es modificar los estados electrónicos de los semiconductores mediante la disposición periódica de grupos dipolares. De esta manera, podemos manipular localmente los niveles de energía de una manera controlada. Al hacerlo, no intentamos encontrar formas de eludir esos efectos que son inevitables, especialmente en las interfaces. Bastante, hacemos un uso deliberado de ellos para nuestros propios fines, "explica Egbert Zojer.

Este tema ha estado en el foco de la investigación del grupo Zojer desde hace algún tiempo. El primer paso fue el diseño electrostático de monocapas moleculares, por ejemplo en electrodos de oro. Los experimentos han demostrado que los cambios de energía predichos dentro de las capas realmente tienen lugar y que el transporte de carga a través de monocapas puede modularse deliberadamente. También, los estados electrónicos de materiales bidimensionales, como el grafeno, Puede controlarse mediante efectos electrostáticos colectivos. En la publicación en Materiales avanzados , estudiante de doctorado Veronika Obersteiner, Egbert Zojer y otros colegas del equipo demuestran todo el potencial del concepto extendiéndolo a materiales tridimensionales.

"Para el ejemplo de redes orgánicas covalentes tridimensionales, mostramos cómo, por medio de efectos electrostáticos colectivos, el paisaje energético dentro del material a granel tridimensional se puede manipular de manera que se puedan realizar rutas espacialmente confinadas para electrones y huecos. De esta manera, los operadores de carga pueden, por ejemplo, separarse y las propiedades electrónicas del material se pueden diseñar como se desee, "dice Zojer.

El concepto es especialmente interesante para las células solares. En las células solares orgánicas clásicas, bloques de construcción químicamente diferentes, los denominados donantes y aceptadores, se utilizan para separar los pares de electrones y huecos fotogenerados. En el enfoque propuesto aquí, el desplazamiento local necesario de los niveles de energía se produce debido a la disposición periódica de los grupos polares. Las áreas semiconductoras sobre las que se desplazan los electrones y los huecos son químicamente idénticas. "De este modo, podemos ajustar los niveles de energía de manera cuasi-continua y eficiente variando la densidad del dipolo. Este trabajo es el punto culminante de nuestra intensa investigación sobre el diseño electrostático de materiales, "dice Zojer.

El diseño electrostático en sistemas 3-D también puede permitir la realización de estructuras cuánticas complejas, como cascadas cuánticas y tableros de ajedrez cuánticos. "Solo la imaginación del diseñador de materiales puede poner límites a nuestro concepto, "dice Zojer.