Pesquisadores da Universidade McGill ganharam uma nova visão sobre o funcionamento dos perovskitas, um Semicondutores material que mostra grande promessa para a produção de células solares de baixo custo e alta eficiência e uma variedade de outros dispositivos ópticos e eletrônicos.
As perovskitas chamaram a atenção na última década por causa de sua capacidade de atuar como semicondutores, mesmo quando há defeitos na estrutura cristalina do material. Isso torna as perovskitas especiais porque fazer com que a maioria dos outros semicondutores funcione bem requer técnicas de fabricação rigorosas e caras para produzir cristais o mais livre de defeitos possível. No que se refere à descoberta de um novo estado da matéria, a equipe de McGill deu um passo à frente para desvendar o mistério de como os perovskitas realizam esse truque.
“Historicamente, as pessoas têm usado semicondutores em massa que são cristais perfeitos. E agora, de repente, esse cristal macio e imperfeito começa a funcionar para Semicondutor aplicações, de energia fotovoltaica a LEDs”, explica o autor sênior Patanjali Kambhampati, professor associado do Departamento de Química da McGill. “Esse é o ponto de partida para nossa pesquisa: como algo defeituoso pode funcionar de maneira perfeita?”
Pontos quânticos, mas não como os conhecemos
Os pesquisadores revelam que um fenômeno conhecido como confinamento quântico ocorre dentro de cristais de perovskita. Até agora, o confinamento quântico tinha sido observado apenas em partículas de alguns nanômetros de tamanho - os pontos quânticos da fama da TV de tela plana sendo um exemplo muito elogiado. Quando as partículas são tão pequenas, suas dimensões físicas restringem o movimento dos elétrons de uma forma que dá às partículas propriedades distintas de pedaços maiores do mesmo material - propriedades que podem ser ajustadas para produzir efeitos úteis, como a emissão de luz em cores precisas.
Usando uma técnica conhecida como espectroscopia de bomba / sonda de estado resolvido, os pesquisadores mostraram que um tipo semelhante de confinamento ocorre em cristais de perovskita de brometo de césio e chumbo. Em outras palavras, seus experimentos descobriram um comportamento semelhante ao de pontos quânticos ocorrendo em pedaços de perovskita significativamente maiores do que os pontos quânticos.
O resultado surpreendente leva a uma descoberta inesperada
O trabalho baseia-se em pesquisas anteriores que estabeleceram que as perovskitas, embora pareçam ser uma substância sólida a olho nu, têm certas características mais comumente associadas aos líquidos. No centro dessa dualidade líquido-sólido está uma rede atômica capaz de distorcer em resposta à presença de elétrons livres. Kambhampati faz uma comparação com um trampolim que absorve o impacto de uma pedra lançada em seu centro. Assim como o trampolim acabará por paralisar a rocha, entende-se que a distorção da estrutura do cristal de perovskita - um fenômeno conhecido como formação de polaron - tem um efeito estabilizador sobre o elétron.
Enquanto a analogia do trampolim sugeriria uma dissipação gradual de energia consistente com um sistema movendo-se de um estado excitado de volta para um mais estável, os dados de espectroscopia de bomba / sonda na verdade revelaram o oposto. Para a surpresa dos pesquisadores, suas medições mostraram um aumento geral na energia após a formação do polaron.
"O fato de a energia ter sido elevada mostra um novo efeito da mecânica quântica, o confinamento quântico como um ponto quântico", diz Kambhampati, explicando que, na escala de tamanho dos elétrons, a rocha no trampolim é um exciton, o emparelhamento vinculado de um elétron com o espaço que deixa para trás quando está em um estado excitado.
“O que o polaron faz é confinar tudo em uma área espacialmente bem definida. Uma das coisas que nosso grupo foi capaz de nos mostrar é que o polaron se mistura com um exciton para formar o que parece ser um quantum ponto. Em certo sentido, é como um ponto quântico líquido, que é algo que chamamos de gota quântica. Esperamos que a exploração do comportamento dessas gotas quânticas dê origem a uma melhor compreensão de como projetar materiais optoeletrônicos tolerantes a defeitos. ”