Um flash ultracurto de luz quebra a ligação entre o elétron (vermelho) e o buraco (azul), permitindo pesquisas sobre processos de transferência de carga em semicondutores atomicamente finos. Crédito: Lukas Kroll, Jan Philipp Bange, Marcel Reutzel, Stefan Mathias: Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.adi1323
Os pesquisadores descobrem como a carga elétrica é transferida em interfaces com apenas átomos de espessura entre semicondutores.
Os semicondutores são encontrados em toda parte na tecnologia contemporânea, servindo para facilitar ou bloquear o fluxo de eletricidade. Para entender o potencial do bidimensional semicondutores para futuras tecnologias computacionais e fotovoltaicas, pesquisadores das Universidades de Göttingen, Marburg e Cambridge investigaram a ligação que se forma entre os elétrons e os buracos contidos nesses materiais.
Usando um método especial para quebrar a ligação entre elétrons e buracos, eles conseguiram obter uma visão microscópica dos processos de transferência de carga através de uma interface semicondutora. Os resultados foram publicados em Avanços da Ciência.
Quando a luz incide sobre um semicondutor, sua energia é absorvida. Como resultado, elétrons carregados negativamente e buracos carregados positivamente se combinam no semicondutor para formar pares, conhecidos como excitons. Nos semicondutores bidimensionais mais modernos, esses excitons possuem uma energia de ligação extraordinariamente alta. Em seu estudo, os pesquisadores se propuseram o desafio de investigar o buraco do exciton.
Como explica o físico e primeiro autor Jan Philipp Bange, da Universidade de Göttingen: “Em nosso laboratório, usamos espectroscopia de fotoemissão para investigar como a absorção de luz em materiais quânticos leva a processos de transferência de carga. Até agora, nos concentramos nos elétrons que fazem parte do par elétron-buraco, que podemos medir usando um analisador de elétrons. Até agora, não tínhamos como acessar diretamente os buracos. Então, estávamos interessados na questão de como poderíamos caracterizar não apenas o elétron do exciton, mas também seu buraco.”
Novas técnicas experimentais
Para responder a esta questão, os investigadores, liderados pelo Dr. Marcel Reutzel e pelo Professor Stefan Mathias da Faculdade de Física da Universidade de Göttingen, usaram um microscópio especial para fotoelétrons em combinação com um laser de alta intensidade. No processo, a quebra de um exciton leva a uma perda de energia no elétron medido no experimento.
Reutzel explica: “Essa perda de energia é característica de diferentes excitons, dependendo do ambiente em que o elétron e o buraco interagem entre si”. No presente estudo, os pesquisadores usaram uma estrutura composta por dois semicondutores atomicamente finos diferentes para mostrar que o buraco do exciton é transferido de uma camada semicondutora para outra, semelhante a uma célula solar. A equipe do professor Ermin Malic, da Universidade de Marburg, conseguiu explicar esse processo de transferência de carga com um modelo para descrever o que acontece em nível microscópico.
Mathias resume: “No futuro, queremos usar a assinatura espectroscópica da interação entre elétrons e buracos para estudar novas fases em materiais quânticos em escalas de tempo e comprimento ultracurtas. Tais estudos podem ser a base para o desenvolvimento de novas tecnologias e esperamos contribuir para isso no futuro.”
Referência: “Sondando correlações de Coulomb elétron-buraco na paisagem de excitons de uma heteroestrutura semicondutora torcida” por Jan Philipp Bange, David Schmitt, Wiebke Bennecke, Giuseppe Meneghini, AbdulAziz AlMutairi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Daniel Steil, Sabine Steil, R. Thomas Weitz, GS Matthijs Jansen, Stephan Hofmann, Samuel Brem, Ermin Malic, Marcel Reutzel e Stefan Mathias, 7 de fevereiro de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.adi1323
Esta pesquisa beneficiou do financiamento da Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) para os Centros de Pesquisa Colaborativa “Controle de conversão de energia em escala atômica” e “Matemática de Experimentos” em Göttingen e “Estrutura e Dinâmica de Interfaces Internas” em Marburg.
