Los científicos del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias Científicas del Departamento de Energía de EE. UU. En el Laboratorio Nacional de Brookhaven, han utilizado una técnica de imágenes optoelectrónicas para estudiar el comportamiento electrónico de nanomateriales atómicamente delgados expuestos a la luz. Combinado con imágenes ópticas a nanoescala, Esta técnica de microscopía de fotocorriente de barrido proporciona una poderosa herramienta para comprender los procesos que afectan la generación de corriente eléctrica (fotocorriente) en estos materiales. Esta comprensión es clave para mejorar el rendimiento de las células solares, sensores ópticos, diodos emisores de luz (LED), y otra optoelectrónica:dispositivos electrónicos que dependen de las interacciones luz-materia para convertir la luz en señales eléctricas o viceversa.

"Cualquiera que quiera saber cómo se distribuye la corriente eléctrica inducida por la luz a través de un semiconductor se beneficiará de esta capacidad, "dijo Mircea Cotlet, científico de materiales de CFN, coautor correspondiente en el artículo de Advanced Functional Materials del 17 de mayo que describe el trabajo.

Generando una corriente eléctrica

Cuando es golpeado por la luz los semiconductores (materiales que tienen una resistencia eléctrica entre los metales y los aislantes) generan una corriente eléctrica. Semiconductores que constan de una capa o unas pocas capas de átomos, por ejemplo, grafeno que tiene una sola capa de átomos de carbono, son de particular interés para la optoelectrónica de próxima generación debido a su sensibilidad a la luz, que pueden alterar de forma controlable su conductividad eléctrica y flexibilidad mecánica. Sin embargo, la cantidad de luz que pueden absorber los semiconductores atómicamente delgados es limitada, limitando así la respuesta de los materiales a la luz.

Para mejorar las propiedades de captación de luz de estos materiales bidimensionales (2-D), los científicos agregan partículas semiconductoras diminutas (de 10 a 50 átomos de diámetro) llamadas puntos cuánticos en la capa o capas. Los nanomateriales "híbridos" resultantes no solo absorben más luz sino que también tienen interacciones en la interfaz donde se encuentran los dos componentes. Dependiendo de su tamaño y composición, los puntos cuánticos excitados por la luz transferirán carga o energía al material 2-D. Saber cómo estos dos procesos influyen en la respuesta de fotocorriente del material híbrido bajo diferentes condiciones ópticas y eléctricas, como la intensidad de la luz entrante y el voltaje aplicado, es importante para diseñar dispositivos optoelectrónicos con propiedades adaptadas a aplicaciones particulares.

"Los fotodetectores detectan un nivel de luz extremadamente bajo y convierten esa luz en una señal eléctrica, "explicó Cotlet." Por otro lado, Los dispositivos fotovoltaicos como las células solares están hechos para absorber tanta luz como sea posible para producir una corriente eléctrica. Para diseñar un dispositivo que funcione para fotodetección o aplicaciones fotovoltaicas, necesitamos saber cuál de los dos procesos, carga o transferencia de energía, es beneficioso ".

Iluminando los procesos de carga y transferencia de energía

En este estudio, los científicos de CFN combinaron disulfuro de molibdeno atómicamente delgado con puntos cuánticos. El disulfuro de molibdeno es uno de los dicalcogenuros de metales de transición, compuestos semiconductores con un metal de transición (en este caso, molibdeno) intercalada entre dos capas delgadas de un elemento calcógeno (en este caso, azufre). Para controlar las interacciones interfaciales, diseñaron dos tipos de puntos cuánticos:uno con una composición que favorece la transferencia de carga y otro con una composición que favorece la transferencia de energía.

"Ambos tipos tienen seleniuro de cadmio en su núcleo, pero uno de los núcleos está rodeado por una capa de sulfuro de zinc, ", explicó el investigador asociado y primer autor de CFN, Mingxing Li." El caparazón es un espaciador físico que evita que se produzca la transferencia de carga. Los puntos cuánticos de núcleo-capa promueven la transferencia de energía, mientras que los puntos cuánticos de solo núcleo promueven la transferencia de carga ".

Los científicos utilizaron la sala limpia de la instalación de nanofabricación CFN para fabricar dispositivos con nanomateriales híbridos. Para caracterizar el desempeño de estos dispositivos, llevaron a cabo estudios de microscopía de fotocorriente de barrido con un microscopio óptico construido internamente utilizando equipos existentes y el software de control de instrumentos GXSM de código abierto desarrollado por el físico y coautor de CFN Percy Zahl. En microscopía de fotocorriente de barrido, se escanea un rayo láser a través del dispositivo mientras se mide la fotocorriente en diferentes puntos. Todos estos puntos se combinan para producir un "mapa" de corriente eléctrica. Debido a que la transferencia de carga y energía tienen firmas eléctricas distintas, los científicos pueden utilizar esta técnica para determinar qué proceso está detrás de la respuesta de fotocorriente observada.

Los mapas de este estudio revelaron que la respuesta a la fotocorriente fue más alta con poca exposición a la luz para el dispositivo híbrido de solo núcleo (transferencia de carga) y con alta exposición a la luz para el dispositivo híbrido de núcleo-carcasa (transferencia de energía). Estos resultados sugieren que la transferencia de carga es extremadamente beneficiosa para el dispositivo que funciona como fotodetector. y se prefiere la transferencia de energía para aplicaciones fotovoltaicas.

"Distinguir las transferencias de energía y carga únicamente mediante técnicas ópticas, como microscopía de imágenes de por vida de fotoluminiscencia, es un desafío porque ambos procesos reducen la vida útil de la luminiscencia en grados similares, ", dijo Chang-Yong Nam, científico de materiales de CFN y coautor correspondiente. Nuestra investigación demuestra que las mediciones optoelectrónicas que combinan la excitación óptica localizada y la generación de fotocorriente no solo pueden identificar claramente cada proceso, sino que también sugieren posibles aplicaciones de dispositivos optoelectrónicos adecuadas para cada caso".

"En el CFN, realizamos experimentos para estudiar cómo funcionan los nanomateriales en condiciones reales de funcionamiento, "dijo Cotlet." En este caso, Combinamos la experiencia óptica del Grupo de Nanomateriales Blandos y Bio, experiencia en fabricación de dispositivos y caracterización eléctrica del Grupo de Nanomateriales Electrónicos, y la experiencia en software del Interface Science and Catalysis Group para desarrollar una capacidad en el CFN que permitirá a los científicos estudiar procesos optoelectrónicos en una variedad de materiales 2-D. La nueva instalación de microscopía de fotocorriente de barrido ahora está abierta a los usuarios de CFN, y esperamos que esta capacidad atraiga a más usuarios a las instalaciones de fabricación y caracterización de CFN para estudiar y mejorar el rendimiento de los dispositivos optoelectrónicos ".