El dióxido de titanio (TiO2) es uno de los materiales más prometedores para la energía fotovoltaica y la fotocatálisis en la actualidad. Este material aparece en diferentes formas cristalinas, pero el más atractivo para las aplicaciones se llama "anatase". A pesar de décadas de estudios sobre la conversión de la luz absorbida en cargas eléctricas en anatasa TiO2, aún se desconocía la naturaleza misma de sus propiedades ópticas y electrónicas fundamentales. Científicos de EPFL, con socios nacionales e internacionales, ahora han arrojado luz sobre el problema mediante una combinación de técnicas espectroscópicas ultrarrápidas y de estado estacionario de vanguardia, así como cálculos teóricos. El trabajo está publicado en Comunicaciones de la naturaleza .

Anatase TiO2 está involucrado en una amplia gama de aplicaciones, que van desde la energía fotovoltaica y la fotocatálisis hasta los vidrios autolimpiables, y purificación de agua y aire. Todos ellos se basan en la absorción de la luz y su posterior conversión en cargas eléctricas. Dado su uso generalizado en diversas aplicaciones, El TiO2 ha sido uno de los materiales más estudiados del siglo XX, tanto experimental como teóricamente.

Cuando la luz incide sobre un material semiconductor como el TiO2, genera cargas negativas (electrones) y positivas (huecos) libres o un par electrón-hueco neutro ligado, llamado excitón. Los excitones son de gran interés porque pueden transportar energía y cargas a un nivel de nanoescala, y forman la base de todo un campo de la electrónica de próxima generación, llamados "excitónicos". El problema con el TiO2 hasta ahora es que no hemos podido identificar claramente la naturaleza y propiedades del objeto físico que absorbe la luz y caracterizar sus propiedades.

El grupo de Majed Chergui en EPFL, junto con colegas nacionales e internacionales, han arrojado luz sobre esta pregunta de larga data mediante el uso de una combinación de métodos experimentales de vanguardia:espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo de estado estacionario (ARPES), que mapea la energía de los electrones a lo largo de los diferentes ejes del sólido; elipsometría espectroscópica, que determina las propiedades ópticas del sólido con alta precisión; y espectroscopia ultravioleta profunda bidimensional ultrarrápida, utilizado por primera vez en el estudio de materiales, junto con las herramientas teóricas de los primeros principios de última generación.

Descubrieron que el umbral del espectro de absorción óptica se debe a un excitón fuertemente ligado, que exhibe dos propiedades novedosas notables:Primero, está confinado en un plano bidimensional (2D) de la celosía tridimensional del material. Este es el primer caso de este tipo que se informa en forma condensada. Y en segundo lugar, este excitón 2D es estable a temperatura ambiente y robusto contra defectos, como está presente en cualquier tipo de TiO2 — monocristales, Peliculas delgadas, e incluso nanopartículas utilizadas en dispositivos.

Esta "inmunidad" del excitón a los trastornos y defectos estructurales de largo alcance implica que puede almacenar la energía entrante en forma de luz y guiarla a nanoescala de forma selectiva. Esto promete una gran mejora en comparación con la tecnología actual, en el que la energía luminosa absorbida se disipa como calor a la red cristalina, haciendo que los esquemas de excitación convencionales sean extremadamente ineficaces.

Es más, El excitón recién descubierto es muy sensible a una variedad de estímulos externos e internos en el material (temperatura, presión, exceso de densidad de electrones), allanando el camino hacia un poderoso, esquema de detección preciso y económico para sensores con lectura óptica.

"Dado que es barato y fácil de fabricar materiales de TiO2 anatasa, estos hallazgos son cruciales para muchas aplicaciones y más allá ", dice Majed Chergui. "Saber cómo se generan las cargas eléctricas después de que se absorbe la luz es un ingrediente clave para los fotocatalizadores eficientes".