El ensamblaje de heteroestructuras 2D similares a Lego puede dar lugar a propiedades y funcionalidades emergentes muy diferentes de las características intrínsecas de los constituyentes.

Los cálculos de la estructura de bandas basados ​​en la teoría funcional de la densidad (DFT) pueden arrojar luz sobre las propiedades interfaciales de diferentes heteroestructuras.

Propiedades de interfaz de heteroestructuras 2D de perovskita/TMD

Las heteroestructuras basadas en diferentes materiales 2D han dado como resultado propiedades "nuevas" que pueden ser significativamente diferentes de las de los materiales individuales. Estas heteroestructuras se pueden fabricar ensamblando diferentes tipos de materiales 2D atómicamente delgados.

Una de esas familias de materiales 2D, las perovskitas 2D, muestran propiedades fotofísicas interesantes y una mejor estabilidad en comparación con las típicas perovskitas a granel. Sin embargo, hasta ahora, las métricas de rendimiento de dispositivos optoelectrónicos de infrarrojo cercano (NIR)/rango visible de perovskitas 2D han sido bastante deficientes debido a ciertas limitaciones intrínsecas y específicas de los materiales, como grandes espacios de banda, energías de enlace de excitón inusualmente altas y baja absorción óptica.

Un nuevo estudio dirigido por investigadores de la Universidad de Monash analiza una metodología para mejorar el rendimiento de los dispositivos optoelectrónicos y ampliar las funcionalidades de las perovskitas 2D al conjugarlas con dicalcogenuros de metales de transición (TMD) ópticamente activos. Las perovskitas 2D y los TMD son estructuralmente diferentes, sin embargo, pueden formar interfaces limpias debido a las interacciones de van der Waals entre las capas apiladas. Usando cálculos precisos de primeros principios, los autores demuestran que la nueva interfaz (alineación de bandas) y las propiedades de transporte son factibles en heteroestructuras 2D de perovskita/TMD que pueden ajustarse ampliamente en función de la elección adecuada de los constituyentes.

Para comprender con precisión las propiedades de la interfaz, los autores crearon estructuras reticulares de las interfaces y exploraron sus propiedades a través de cálculos que requieren mucha memoria utilizando instalaciones de supercomputación.

En sistemas específicos, las alineaciones de tipo II previstas con NIR/bandas prohibidas visibles pueden permitir una absorción óptica mejorada a energías comparativamente más bajas. Además, las compensaciones de banda considerables y la posibilidad de excitones entre capas con energías de disociación más bajas pueden conducir a una separación entre capas más fácil de los portadores de carga excitados en dos materiales. Estos brindan la posibilidad de lograr fotocorrientes más altas y eficiencias mejoradas de las células solares. Los investigadores también predicen la posibilidad de sistemas de tipo I para dispositivos basados ​​en recombinación como diodos emisores de luz y sistemas de tipo III para lograr el transporte por túneles. Además, también muestran una tolerancia significativa a la deformación en tales heteroestructuras 2D de perovskita/TMD, un requisito previo para los sensores flexibles.

"En general, estos hallazgos demuestran que una selección de heteroestructuras guiada por computadora podría ofrecer mejores plataformas que los materiales intrínsecos para aplicaciones de dispositivos específicos y tener potencial en dispositivos multifuncionales de próxima generación, como fotosensores flexibles o LED", dice FLEET CI A/Prof Nikhil Medhekar quien dirigió el trabajo con Ph.D. el estudiante Abin Varghese y el investigador postdoctoral Dr. Yuefeng Yin.

Polaridad de sintonización de corrientes fotogeneradas

Explorando aún más la física de las heteroestructuras 2D, el equipo colaboró ​​​​con experimentadores dirigidos por el profesor Saurabh Lodha de IIT Bombay, India, para explicar la aparición de un fenómeno optoelectrónico aún por descubrir. En el primer trabajo sobre WSe₂ /SnSe₂ heteroestructuras, tras la iluminación, la polaridad de la fotocorriente mostró una dependencia del tipo de transporte eléctrico (termiónico o túnel) a través de la interfaz de la heteroestructura.

Los investigadores de Monash emplearon cálculos de estructura de bandas dependientes del campo eléctrico basados ​​en la teoría funcional de la densidad y atribuyeron esta observación a la naturaleza de la alineación de bandas en la interfaz. Juntos, demostraron que un cambio en la alineación de la banda de tipo II a tipo III resultó en un cambio en la polaridad de la fotocorriente de positiva a negativa.

En términos del rendimiento de los fotodetectores, la capacidad de respuesta y el tiempo de respuesta son métricas cruciales. En este estudio, se observó experimentalmente una alta capacidad de respuesta negativa y un tiempo de respuesta rápido en los prototipos de dispositivos, lo que anima a un mayor desarrollo de dispositivos basados ​​en materiales 2D para aplicaciones prácticas.

En otra heteroestructura que comprende fósforo negro y MoS₂ , los experimentos ilustraron una dependencia de la longitud de onda de la iluminación en la polaridad de la fotoconducción. La fotoconductancia negativa vista en longitudes de onda específicas por encima del borde de absorción de MoS₂ podría ajustarse de forma controlable y reversible a fotoconductancia positiva en longitudes de onda más bajas. La longitud de onda umbral para el cruce entre fotoconductancia negativa y positiva tenía una dependencia crucial del grosor de las escamas. Los cálculos de estructura de bandas dependientes del grosor realizados por investigadores de Monash mostraron claramente la posibilidad de un aumento en la recombinación de los portadores de carga para grosores específicos que podrían conducir a una fotoconductancia negativa, lo que ayuda a las conclusiones.

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