Nanomateriais de perovskita dispersos em hexano e irradiados por laser. A resistência a defeitos de superfície faz com que esses materiais tenham alta taxa de emissão de luz ( foto: Luiz Gustavo Bonato)
Pontos quânticos são nanopartículas
de material semicondutor compostas por apenas alguns milhares de átomos. Esse
número reduzido faz com que os pontos quânticos tenham propriedades que são um
meio-termo entre as da molécula, que têm alguns poucos átomos, e as do material
sólido, formado por uma enorme quantidade deles. Isso possibilita que, com o
controle adequado do tamanho e da forma das nanopartículas, seja possível
interferir em suas propriedades eletrônicas – como os elétrons ficam ligados e
se movimentam pelo material – e ópticas – como a luz é absorvida e emitida por
esse material.
O controle
do tamanho e forma das nanopartículas tem viabilizado o seu uso em aplicações
comerciais, algumas já disponíveis, como lasers, LEDs e TVs incorporados com
tecnologia de pontos quânticos.
Mas há um
problema que pode prejudicar a eficiência de dispositivos que usam esse
nanomaterial como meio ativo: quando a luz é absorvida por um material, os
elétrons são promovidos a níveis superiores de energia. E, ao voltarem para o
seu estado fundamental, cada um deles pode emitir um fóton de luz de volta para
o ambiente. Nos pontos quânticos convencionais, esse caminho de volta do
elétron para seu estado fundamental pode ser perturbado por vários fenômenos
quânticos, retardando a emissão luminosa para o exterior.
O
aprisionamento do elétron em alguns estados quânticos, chamados de “estado
escuro”, retarda a emissão luminosa, em contraste com o caminho que
permite a volta rápida do elétron ao patamar fundamental e, portanto, a emissão
de luz de forma mais eficiente e direta, caracterizado como “estado claro”.
Existe, porém, uma nova classe de
nanomateriais, fabricados com perovskitas, na qual esse retardo pode ser menor.
Por isso, as perovskitas transformaram-se em uma espécie de “bola da vez” no
campo da ciência dos nanomateriais, mobilizando grandes esforços de pesquisa (leia mais em: agencia.fapesp.br/32494/).
Um estudo conduzido por pesquisadores
dos Institutos de Química e de Física da Universidade Estadual de Campinas
(Unicamp) em colaboração com pesquisadores da University of Michigan avançou
bastante nesse sentido, fornecendo novos insights sobre
a física fundamental atuante nos pontos quânticos de perovskita. Artigo a
respeito foi publicado em Science Advances: Multidimensional coherent
spectroscopy reveals triplet state coherences in cesium lead-halide perovskite
nanocrystals.
“Nesse trabalho, utilizamos uma
técnica de espectroscopia coerente que permite avaliar separadamente o
comportamento dos elétrons de cada nanomaterial em um conjunto de dezenas de
bilhões de nanomateriais. O ineditismo do nosso estudo foi que ele combinou uma
classe de nanomateriais relativamente nova, a perovskita, com uma técnica de
detecção completamente nova”, diz Lázaro Padilha Junior,
o coordenador brasileiro da pesquisa, à Agência FAPESP.
O estudo recebeu suporte da FAPESP
por meio de Apoio a Jovens Pesquisadores e
de Auxílio à Pesquisa Regular concedidos
a Padilha.
“Foi
possível averiguar o alinhamento energético entre os estados claros [associados
a tripletos] e o estado escuro [associado a singletos], indicando como esse alinhamento
depende do tamanho do nanomaterial, além de revelar informações a respeito das
interações entre esses estados. Isso pode abrir espaço para o uso desses
sistemas em outras áreas da tecnologia, como a da informação quântica“,
afirma o pesquisador.
E explica:
“Devido à estrutura cristalina da perovskita, seu nível de energia claro
divide-se em três, formando um tripleto. Isso abre vários caminhos para a
excitação e a volta dos elétrons ao estado fundamental. O resultado mais
impactante do trabalho foi que, por meio da análise dos tempos de vida de cada
um dos três níveis claros e das características do sinal emitido pela amostra,
obtivemos evidências de que o nível escuro está presente, mas situa-se em um
patamar de energia maior do que dois dos três níveis claros. Isso significa
que, ao iluminarmos a amostra, os elétrons excitados só ficarão presos caso
ocupem o mais alto nível claro e depois sejam deslocados para o nível escuro.
No caso de ocuparem os níveis claros mais baixos, eles retornarão a seus estados
fundamentais de forma mais eficiente”.
Para
estudar como os elétrons interagem com a luz nesses materiais, o grupo utilizou
a técnica de espectroscopia multidimensional coerente (EMC), iluminando por
meio de uma série de pulsos de laser ultracurtos (com duração de
aproximadamente 80 femtossegundos – isto é, de 80 quadrilionésimos de
segundo) uma amostra de pontos quânticos de perovskita resfriados a menos
269 graus Celsius.
“Os pulsos
atingem a amostra em intervalos de tempo muito bem controlados. E, modificando
esse intervalo de tempo e detectando a luz que a amostra emite em função do
intervalo, podemos mapear com alta precisão temporal a interação dos elétrons
com a luz e sua dinâmica: tempos característicos de interação, níveis de
energia com os quais eles se acoplam e interação com outras partículas”,
informa Padilha.
A técnica
utilizada permite interrogar bilhões de nanopartículas ao mesmo tempo,
diferenciando as diferentes famílias de nanopartículas presentes na amostra.
O sistema experimental foi
desenvolvido sob o comando do professor Steven Cundiff, coordenador do estudo
em Michigan, e parte das medidas foi feita por Diogo Almeida,
que integrou o grupo de Cundiff e que hoje, sob a supervisão de Padilha,
é bolsista de pós-doutorado da FAPESP no
laboratório de espectroscopia ultrarrápida na Unicamp.
A síntese dos pontos quânticos foi
realizada pelo aluno de doutorado Luiz Gustavo Bonato, no Instituto de Química
da Unicamp. “O cuidado e o protocolo empregados por Bonato no preparo desses
pontos quânticos foram fundamentais, pois se refletem não apenas na qualidade
como também no tamanho, e por sua vez nas propriedades do material
manométrico”, comenta Ana Flávia Nogueira,
outra coordenadora do estudo no Brasil. Nogueira é professora do Instituto de
Química da Unicamp e pesquisadora responsável pela Divisão de Pesquisa 1 do Centro de Inovação em Novas
Energias (CINE), um
Centro de Pesquisa em Engenharia (CPE)
constituído pela FAPESP e pela Shell.
“O
resultado obtido é muito importante pois o conhecimento das propriedades
ópticas do material e de como seus elétrons se comportam abre caminho para o
desenvolvimento de novas tecnologias em óptica e eletrônica de semicondutores.
A incorporação da perovskita será, com muita probabilidade, o grande
diferencial dos próximos televisores”, finaliza Nogueira.
O artigo Multidimensional coherent spectroscopy reveals triplet state
coherences in cesium lead-halide perovskite nanocrystals pode
ser acessado em https://advances.sciencemag.org/content/7/1/eabb3594.
José Tadeu
Arantes
Agência
FAPESP
https://agencia.fapesp.br/uso-das-perovskitas-sera-o-grande-diferencial-da-futura-geracao-de-equipamentos-eletronicos/35274/
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