Un nuevo enfoque para desarrollar materiales semiconductores a escalas pequeñas podría ayudar a impulsar aplicaciones que dependen de la conversión de luz en energía. Un equipo de investigación dirigido por Los Álamos incorporó dopantes magnéticos en puntos cuánticos coloidales especialmente diseñados (cristales semiconductores de tamaño a nanoescala) y pudo lograr efectos que pueden impulsar la tecnología de células solares, fotodetectores y aplicaciones que dependen de la luz para impulsar reacciones químicas. /P>
"En los puntos cuánticos que comprenden un núcleo de seleniuro de plomo y una capa de seleniuro de cadmio, los iones de manganeso actúan como pequeños imanes cuyos espines magnéticos interactúan fuertemente tanto con el núcleo como con la capa del punto cuántico", dijo Victor Klimov, líder de Los Alamos. equipo de nanotecnología e investigador principal del proyecto. "En el curso de estas interacciones, se puede transferir energía hacia y desde el ion de manganeso invirtiendo su espín, un proceso comúnmente denominado intercambio de espín".
En la multiplicación de portadores de intercambio de espín, un único fotón absorbido genera no uno sino dos pares de huecos de electrones, también conocidos como excitones, que se producen como resultado de la relajación por inversión de espín de un ion de manganeso excitado.
Debido a la velocidad extremadamente rápida de las interacciones de intercambio de espín, los puntos cuánticos dopados magnéticamente muestran una mejora tres veces mayor en el rendimiento de multiplicación de portadores en comparación con los puntos cuánticos no dopados de estructura similar. Es importante destacar que la mejora es especialmente grande en el rango de energías de los fotones dentro del espectro solar, lo que lleva a posibles aplicaciones de la tecnología de fotoconversión.
Normalmente un fotón absorbido por un semiconductor genera un electrón en la banda de conducción y una vacante en la banda de valencia conocida como "hueco". Este proceso es la base del funcionamiento de fotodiodos, sensores de imagen y células solares, en los que los portadores de carga generados se extraen como fotocorriente. Los electrones y huecos fotogenerados también pueden ser útiles en química, donde pueden facilitar las llamadas reacciones redox que implican la transferencia de electrones de una entidad a otra.
Todos los tipos de esquemas de fotoconversión se beneficiarían de la multiplicación de portadores, un proceso desencadenado por un fotón de alta energía que genera un portador "caliente" con una gran energía cinética. Esta energía luego se disipa en una colisión con un electrón de la banda de valencia excitándolo a la banda de conducción. Como resultado, se añade un nuevo par electrón-hueco al par original creado por el fotón absorbido.
Debido a las pérdidas de energía competitivas debidas a las interacciones con las vibraciones de la red (generalmente denominadas fonones), la multiplicación de portadores es ineficiente en sólidos a granel. Sin embargo, como demostraron por primera vez los investigadores de Los Álamos en 2004, este efecto se vio potenciado en puntos cuánticos coloidales sintetizados químicamente. El tamaño muy pequeño de los puntos cuánticos coloidales aumenta la frecuencia de las colisiones electrón-electrón y, por tanto, facilita la multiplicación de portadores.
Sin embargo, incluso en los puntos cuánticos, la eficiencia de la multiplicación de portadoras no es lo suficientemente alta como para tener un efecto apreciable en el desempeño de los esquemas prácticos de fotoconversión. Como en el caso de los cristales en masa, la principal limitación son las pérdidas de energía debido a la rápida emisión de fonones que conducen a un calentamiento "no productivo" de la red cristalina.
Los dopantes de manganeso ayudan a abordar los problemas de la emisión rápida de fonones. A partir de investigaciones anteriores que demostraron las escalas de tiempo de subpicosegundos de las interacciones de intercambio de espín (que son más rápidas que la emisión de fonones), los investigadores se dieron cuenta de que el uso de estas interacciones aumentaría la eficiencia de la multiplicación de portadores.
"Para realizar la multiplicación de portadores de intercambio de espín, se necesitan puntos cuánticos diseñados adecuadamente", dijo Clement Livache, investigador postdoctoral y experto en espectroscopia del equipo de nanotecnología. "La banda prohibida de estos puntos debe ser menos de la mitad de la energía de la transición de espín-inversión de manganeso y, además, la estructura de espín de los puntos cuánticos debe coincidir con la del ion de manganeso excitado".
"Las condiciones energéticas pueden satisfacerse con puntos cuánticos dopados con manganeso que contienen un núcleo de seleniuro de plomo y una capa de seleniuro de cadmio", dijo Hin Jo, químico principal del proyecto. "En estas estructuras, la multiplicación de portadores se produce a través de dos pasos de intercambio de espín. Primero, la energía del par electrón-hueco, generada por un fotón absorbido en la capa de seleniuro de cadmio, se transfiere al ion manganeso. Luego, el ion manganeso sufre una relajación de giro-inversión de regreso al estado no excitado mediante la creación de dos excitones en el núcleo de seleniuro de plomo."
La multiplicación de portadores de intercambio de espín puede ser especialmente útil en reacciones de múltiples electrones/huecos que requieren múltiples eventos de reducción y oxidación. Uno de los cuellos de botella en este caso es el tiempo de espera entre los pasos secuenciales de reducción y oxidación. La multiplicación de portadores elimina este cuello de botella al producir pares de portadores de carga (dos electrones y dos huecos) co-localizados en dominios temporales y espaciales.
La investigación se publica en la revista Nature Materials. .
Más información: Ho Jin et al, Multiplicación de portadores de intercambio de espín en puntos cuánticos coloidales dopados con manganeso, Nature Materials (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01598-x
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Los Álamos
