Optoelectrónica:tecnología que emite, detecta o controla la luz:se utilizan en todas partes en la electrónica moderna e incluyen dispositivos como diodos emisores de luz (LED) y células solares. Dentro de estos dispositivos, el movimiento de los excitones (pares de electrones negativos y huecos positivos) determina qué tan bien funciona el dispositivo.

Hasta ahora, la distancia que los excitones podían viajar en sistemas optoelectrónicos convencionales era de alrededor de 30-70 nanómetros, y no había forma de imaginar directamente cómo se mueven los excitones. En un estudio publicado recientemente en ACS Nano , un equipo de investigadores de Foundry diseñó e hizo un sistema de nanocristales en el que los excitones pueden moverse a una distancia récord de 200 nanómetros, un orden de magnitud mayor de lo que era posible anteriormente. También construyeron un microscopio personalizado que puede visualizar directamente el movimiento de los excitones.

"El logro científico es que encontramos un sistema artificial en el que un excitón salta de cristal en cristal en distancias muy largas, diez veces más lejos de lo que se logró anteriormente, "dijo Alex Weber-Bargioni, director de la instalación de Imaging and Manipulation of Nanotructures Facility en Molecular Foundry e investigador principal del estudio. "Luego está el logro técnico:podemos visualizar directamente el movimiento de los excitones para comprender mejor su comportamiento".

Su sistema consiste en diminutos cristales de perovskitas, una clase de cristales que están emergiendo como materiales prometedores para dispositivos optoelectrónicos.

"Los nanocristales de perovskita se forman en forma cúbica, lo que los hace fáciles de empacar juntos, "explicó Monica Lorenzon, investigador postdoctoral en la Fundición y autor de este trabajo. "Pero, naturalmente, no hacen esto a largas distancias". Lorenzon describió cómo su colega Erika Penzo, primer autor del artículo, recubrió una superficie de silicio con un polímero que contiene grupos químicos a los que se unirían los nanocristales de perovskita, formando una sola capa de nanocristales de perovskita muy compactos. Este proceso de ingeniería de superficies dio como resultado un sistema de nanocristales en el que los excitones podían moverse de un cristal a otro en distancias muy largas.

Este sistema proporcionó a los investigadores un estudio de caso útil para observar cómo se mueven los excitones, o difuso, con más profundidad. "En optoelectrónica, ya sea que esté convirtiendo luz en electricidad o viceversa, desea poder sintonizar y controlar la difusión de los excitones porque son los mediadores de la luz y la electrónica ", dijo Weber-Bargioni." Por lo tanto, comprender qué tan lejos y qué tan rápido se mueven los excitones es muy útil ".

En el pasado, El movimiento del excitón se midió agregando defectos, imperfecciones en un cristal que atrapan excitones. Los investigadores podrían rastrear el movimiento de los excitones indirectamente comparando muestras con diferentes cantidades de defectos. "Pero nuestro sistema es mucho más directo, ", explicó Lorenzon." De hecho, podemos visualizar el movimiento del excitón obteniendo imágenes directamente con un microscopio hecho a medida. Este método también da como resultado mediciones más precisas, en comparación con el rango de longitudes de difusión que se pueden medir de forma indirecta ".

El principio básico del microscopio es que se utiliza un láser para excitar (transferir energía a) el material, resultando en un punto excitado. A medida que se libera esta energía, la fotoluminiscencia (luz emitida por el material) en el mismo lugar será un punto más amplio, como una gota de agua sobre una toalla de papel que se expande hacia afuera con el tiempo. Comparando el punto excitado con el punto de fotoluminiscencia, se puede medir la distancia promedio que se mueven los excitones, resultando en la longitud récord de difusión de 200 nanómetros. "Golpeamos la muestra con un rayo láser y si filtramos la luz láser y miramos la luz de fotoluminiscencia, obtenemos un lugar mucho más amplio, es decir, los excitones que se difunden a través de la muestra, "explicó Lorenzon.

Al agregar resolución de tiempo, el microscopio también puede observar la dinámica de los excitones, y se encontró que primero se difunden rápidamente y luego disminuyen. Esta mejor comprensión de cómo se mueven los excitones puede ayudar a mejorar el rendimiento de los dispositivos optoelectrónicos, donde es útil ajustar las longitudes de difusión de excitones para diferentes aplicaciones, como tener longitudes de difusión largas en las células solares y longitudes de difusión cortas en los LED.

En seguimiento de este estudio, Los investigadores exploraron diferentes métodos (plasma vs térmico) para agregar una capa delgada, capa protectora de los nanocristales de perovskita. Debido a que esta capa protectora permite que los nanocristales vivan durante más tiempo, los excitones pueden viajar distancias más largas, lo que resultó en una longitud de difusión del excitón aún mayor de 480 nanómetros.

El microscopio personalizado también se mejoró para incluir resolución de energía. Esto reveló que la energía permanece igual a medida que los excitones se mueven a través de la muestra recubierta a través del proceso de plasma. mientras que la energía disminuye a medida que los excitones quedan atrapados en defectos y se forman cristales grandes por nanocristales fundidos en la muestra recubierta mediante el proceso térmico. Este trabajo fue aceptado recientemente en Materiales Ópticos Avanzados.

Avanzando los investigadores están interesados ​​en observar diferentes clases de materiales y diferentes tipos de difusión de excitones usando su microscopio. También buscan investigar si el movimiento de los excitones puede ser coherente, o moverse en sincronía entre sí.