(a) Ilustración del sistema de imágenes microscópicas para ver la difusión del excitón. (b) Espectros de absorción y fotoluminiscencia (PL) de 3 tipos de nuestros nanocristales de perovskita NC. (d-g) Resultados de imágenes para nuestros 3 tipos de NC de perovskita, mostrando (d) el tamaño de la bomba que excita las muestras, y (e-g) los tamaños de sus PL. Los tamaños más grandes de las imágenes PL implican que los excitones viajan largas distancias antes de recombinarse y emitir luz. De estos tamaños, podemos estimar los rangos de viaje de los excitones. Crédito:Tze Chien Sum
Producir energía limpia y reducir el consumo de energía de la iluminación y los dispositivos personales son desafíos clave para reducir el impacto de la civilización moderna en el medio ambiente. Como resultado, La creciente demanda de células solares y dispositivos emisores de luz está impulsando a los científicos a explorar nuevos materiales semiconductores y mejorar su rendimiento. mientras se reducen los costos de producción.
Nanocristales semiconductores (materiales con tamaños de aproximadamente 10 nanómetros, que es aproximadamente 10, 000 veces más delgado que nuestro cabello) son muy prometedoras para estas aplicaciones:son baratas de producir, puede integrarse fácilmente en estos dispositivos y poseer propiedades excepcionalmente mejoradas al interactuar con la luz, en comparación con sus contrapartes a granel. Este fuerte acoplamiento con la luz les da una ventaja distintiva sobre los semiconductores convencionales, allanando así el camino hacia dispositivos de alta eficiencia.
Desafortunadamente, esta ventaja tiene un costo:cuando se reduce el tamaño de un semiconductor, los electrones ya no pueden viajar libremente a través del material restringido por sus dimensiones físicas. Es más, sus superficies mucho más grandes requieren el uso de estrategias de pasivación (por ejemplo, con ligandos orgánicos) para reducir las trampas que podrían afectar inadvertidamente el transporte de carga aún más. Por lo tanto, las aplicaciones prácticas y generalizadas de los nanocristales son limitadas, y no se puede explotar su potencial disruptivo.
En un nuevo artículo publicado en Luz:ciencia y aplicaciones , un equipo de científicos, dirigido por el profesor Tze Chien Sum de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU), Singapur, han descubierto que los nanocristales hechos de perovskitas de haluro poseen propiedades extraordinarias de transporte de energía, que sustituyen al transporte de cargas, y podría abrir nuevos espacios para implementar estos materiales en dispositivos de alta eficiencia.
El Prof. Sum y su equipo ya han sido pioneros en el estudio del transporte de carga en estos materiales. En 2013, el equipo informó propiedades de transporte de electrones sin precedentes para las perovskitas de haluro a granel y este descubrimiento apoyó el éxito de las perovskitas de haluro en los años siguientes.
Al por mayor, la excitación por la luz crea cargas (electrón y hueco), que se difunden a sus respectivos electrodos para ser extraídos como corriente eléctrica. En nanocristales, la excitación por la luz crea excitones, que viajan a través de la transferencia de energía. Los excitones se disocian en los electrodos y se extraen como corriente eléctrica. Crédito:Tze Chien Sum
En este trabajo, El equipo del profesor Sum demostró que, sorprendentemente, la energía se puede transportar de manera muy eficiente en películas hechas de nanocristales. El equipo utilizó un sistema de imágenes de microscopía para 'visualizar' la energía que viaja utilizando su fuerte emisión de luz como sonda. como se muestra en la Figura 1.
Mientras que las cargas negativas y positivas (electrones y huecos, respectivamente) por sí solo no puede viajar dentro de este material nanoestructurado, pueden unirse y formar los llamados "excitones" para viajar juntos, como se muestra en la Figura 2. La movilidad energética de estos materiales supera la de otras nanoestructuras convencionales, como puntos cuánticos de selenuro de cadmio (CdSe) en más de 1 orden de magnitud. Es más, la energía puede viajar incluso más en estos materiales en comparación con lo que pueden hacer las cargas en las perovskitas de haluro a granel.
"Este resultado no tiene precedentes. Cuando reduce el tamaño de un material, por lo general, significa que reduce la distancia máxima que las cargas pueden viajar dentro de él. Sin embargo, en perovskitas de haluro, cuando reduce su dimensión a tamaño cuántico, estas cargas se las arreglan para organizarse en excitones y encontrar una forma diferente de viajar. Su rango ahora es incluso para una distancia mayor que su rango de viaje inicial antes de reducir sus tamaños, "dijeron el Dr. David Giovanni y el Dr. Marcello Righetto, dos de los autores principales del trabajo que compartieron contribuciones iguales.
Aquí, Se identificaron dos mecanismos de transporte de energía:los excitones 'saltan' de manera muy efectiva entre diferentes nanocristales, y su transporte es asistido por la emisión de luz que queda atrapada dentro de la película y, por lo tanto, se reabsorbe. Por primera vez, El científico proporcionó un método para distinguir estas dos contribuciones.
Si bien el próximo desafío para implementar directamente estas propiedades extraordinarias para dispositivos reales aún permanece (es decir, los excitones deben dividirse en cargas positivas y negativas para crear una corriente detectable), este descubrimiento del transporte de energía de largo alcance y sus mecanismos proporcionan nuevas formas de explotar nanoestructuras en dispositivos.
