Aprovechar el poder del sol y crear dispositivos de captación de luz o sensores de luz requiere un material que absorba la luz de manera eficiente y convierta la energía en corriente eléctrica altamente móvil. Encontrar la combinación ideal de propiedades en un solo material es un desafío, por lo que los científicos han estado experimentando con formas de combinar diferentes materiales para crear "híbridos" con características mejoradas.

En dos artículos recién publicados, científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Universidad de Stony Brook, y la Universidad de Nebraska describen uno de esos enfoques que combina las excelentes propiedades de captación de luz de los puntos cuánticos con la conductividad eléctrica sintonizable de un semiconductor de disulfuro de estaño en capas. El material híbrido exhibió propiedades mejoradas de captación de luz a través de la absorción de luz por los puntos cuánticos y su transferencia de energía al disulfuro de estaño. tanto en pruebas de laboratorio como cuando se incorporan a dispositivos electrónicos. La investigación allana el camino para el uso de estos materiales en aplicaciones optoelectrónicas como la energía fotovoltaica de captación de energía, sensores de luz, y diodos emisores de luz (LED).

Según Mircea Cotlet, el químico físico que dirigió este trabajo en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, "Los dicalcogenuros metálicos bidimensionales como el disulfuro de estaño tienen algunas propiedades prometedoras para la conversión de energía solar y las aplicaciones de fotodetectores, incluyendo una alta relación de aspecto de superficie a volumen. Pero ningún material semiconductor lo tiene todo. Estos materiales son muy delgados y no absorben la luz. Así que estábamos tratando de mezclarlos con otros nanomateriales como puntos cuánticos que absorben la luz para mejorar su rendimiento a través de la transferencia de energía ".

Un papel, recién publicado en la revista ACS Nano , describe un estudio fundamental del material híbrido de punto cuántico / disulfuro de estaño por sí mismo. El trabajo analiza cómo la luz excita los puntos cuánticos (hechos de un núcleo de seleniuro de cadmio rodeado por una capa de sulfuro de zinc), que luego transfieren la energía absorbida a capas de disulfuro de estaño cercano.

"Hemos ideado un enfoque interesante para discriminar la transferencia de energía de la transferencia de carga, dos tipos comunes de interacciones promovidas por la luz en tales híbridos, "dijo Prahlad Routh, un estudiante graduado de la Universidad de Stony Brook que trabaja con Cotlet y co-primer autor de la ACS Nano papel. "Hacemos esto usando espectroscopía de nanocristales individuales para observar cómo los puntos cuánticos individuales parpadean cuando interactúan con el disulfuro de estaño en forma de hoja. Este método sencillo puede evaluar si los componentes en tales híbridos semiconductores interactúan por energía o por transferencia de carga".

Los investigadores encontraron que la tasa de transferencia de energía no radiativa de los puntos cuánticos individuales al disulfuro de estaño aumenta con un número creciente de capas de disulfuro de estaño. Pero el rendimiento en las pruebas de laboratorio no es suficiente para demostrar los méritos de posibles nuevos materiales. Entonces, los científicos incorporaron el material híbrido en un dispositivo electrónico, un transistor de efecto de campo fotográfico, un tipo de detector de fotones comúnmente utilizado para aplicaciones de detección de luz.

Como se describe en un artículo publicado en línea el 24 de marzo en Letras de física aplicada , el material híbrido mejoró dramáticamente el rendimiento de los transistores de efecto de campo fotográfico, lo que resultó en una respuesta de fotocorriente (conversión de luz en corriente eléctrica) que fue 500 por ciento mejor que los transistores hechos con el material de disulfuro de estaño solo.

"Este tipo de transferencia de energía es un proceso clave que permite la fotosíntesis en la naturaleza, "dijo Chang-Yong Nam, científico de materiales en el Centro de Nanomateriales Funcionales y coautor correspondiente del artículo de APL. "Los investigadores han intentado emular este principio en dispositivos eléctricos que captan la luz, pero ha sido particularmente difícil para los nuevos sistemas de materiales como el disulfuro de estaño que estudiamos. Nuestro dispositivo demuestra los beneficios de rendimiento obtenidos mediante el uso de procesos de transferencia de energía y nuevos materiales de dimensiones reducidas ".

Cotlet concluye, "La idea de 'dopar' materiales en capas bidimensionales con puntos cuánticos para mejorar sus propiedades de absorción de luz es prometedora para diseñar mejores células solares y fotodetectores".