Ilustração mostrando elétrons excitantes de luz em duas moléculas do semicondutor orgânico conhecido como buckminsterfulereno. O exciton recém-formado (mostrado pelo ponto brilhante) é primeiro distribuído por duas moléculas antes de se estabelecer em uma molécula (mostrada à direita na imagem). Crédito: Andreas Windischbacher
Nova técnica de imagem revela dinâmica de excitons em orgânicos semicondutoresoferecendo insights sobre suas propriedades quânticas e potencial para melhorar materiais de conversão de energia.
Desde painéis solares nos nossos telhados até aos novos ecrãs de TV OLED, muitos dispositivos eletrónicos do dia-a-dia simplesmente não funcionariam sem a interação entre a luz e os materiais que constituem os semicondutores. Uma nova categoria de semicondutores é baseada em moléculas orgânicas, que consistem em grande parte de carbono, como o buckminsterfulereno. A forma como os semicondutores orgânicos funcionam é em grande parte determinada pelo seu comportamento nos primeiros momentos após a luz excitar os elétrons, formando “excitons” no material.
Wiebke Bennecke. Crédito: Estúdio fotográfico Roman Brodel/Braunschweig
Pesquisadores das Universidades de Göttingen, Graz, Kaiserslautern-Landau e Grenoble-Alpes conseguiram agora, pela primeira vez, imagens muito rápidas e precisas desses excitons – na verdade, com precisão de um quatrilionésimo de segundo (0,000.000.000.000.001s ) e um bilionésimo de metro (0,000.000.001m). Esse entendimento é essencial para o desenvolvimento de materiais mais eficientes com semicondutores orgânicos.
Os resultados foram publicados recentemente na revista científica Comunicações da Natureza.
Compreendendo a dinâmica do Exciton
Quando a luz atinge um material, alguns elétrons absorvem a energia e isso os coloca em um estado excitado. Em semicondutores orgânicos, como os usados em OLEDs, a interação entre esses elétrons excitados e os “buracos” restantes é muito forte, e elétrons e buracos não podem mais ser descritos como partículas individuais. Em vez disso, elétrons com carga negativa e buracos com carga positiva se combinam para formar pares, conhecidos como excitons.
A compreensão das propriedades da mecânica quântica desses excitons em semicondutores orgânicos tem sido considerada um grande desafio – tanto do ponto de vista teórico quanto experimental.
Dr. Matthijs Jansen. Crédito: Christina Möller
O novo método esclarece esse quebra-cabeça. Wiebke Bennecke, físico da Universidade de Göttingen e primeiro autor do estudo, explica: “Usando o nosso microscópio eletrónico de fotoemissão, podemos reconhecer que as forças de atração dentro dos excitons alteram significativamente a sua distribuição de energia e velocidade. Medimos as mudanças com resolução extremamente alta no tempo e no espaço e as comparamos com as previsões teóricas da mecânica quântica.”
Os pesquisadores referem-se a esta nova técnica como tomografia exciton de fotoemissão. A teoria por trás disso foi desenvolvida por uma equipe liderada pelo professor Peter Puschnig da Universidade de Graz.
Avanços na pesquisa de semicondutores
Esta nova técnica permite aos cientistas, pela primeira vez, medir e visualizar a função de onda da mecânica quântica dos excitons. Simplificando, a função de onda descreve o estado de um exciton e determina sua probabilidade de estar presente.
O Dr. Matthijs Jansen, da Universidade de Göttingen, explica o significado das descobertas: “O semicondutor orgânico que estudamos foi o buckminsterfulereno, que consiste num arranjo esférico de 60 átomos de carbono. A questão era se um exciton estaria sempre localizado em uma única molécula ou se poderia ser distribuído por várias moléculas simultaneamente. Esta propriedade pode ter uma grande influência na eficiência dos semicondutores nas células solares.”
Professor Stefan Mathias. Crédito: Stefan Mathias
A tomografia por exciton de fotoemissão fornece a resposta: imediatamente após o exciton ser gerado pela luz, ele é distribuído por duas ou mais moléculas. No entanto, dentro de alguns femtossegundos, ou seja, em uma pequena fração de segundo, o exciton se reduz a uma única molécula.
No futuro, os pesquisadores querem registrar o comportamento dos excitons utilizando o novo método. De acordo com o professor Stefan Mathias, da Universidade de Göttingen, isto tem potencial: “Por exemplo, queremos ver como o movimento relativo das moléculas influencia a dinâmica dos excitons num material. Estas investigações nos ajudarão a compreender os processos de conversão de energia em semicondutores orgânicos. E esperamos que este conhecimento contribua para o desenvolvimento de materiais mais eficientes para células solares.”
Referência: “Desenredando as contribuições multiorbitais de excitons por tomografia de excitons por fotoemissão” por Wiebke Bennecke, Andreas Windischbacher, David Schmitt, Jan Philipp Bange, Ralf Hemm, Christian S. Kern, Gabriele D’Avino, Xavier Blase, Daniel Steil, Sabine Steil, Martin Aeschlimann, Benjamin Stadtmüller, Marcel Reutzel, Peter Puschnig, GS Matthijs Jansen e Stefan Mathias, 28 de fevereiro de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-45973-x
Esta investigação beneficiou do financiamento da Fundação Alemã de Investigação (DFG) para os Centros de Investigação Colaborativa “Controlo à escala atómica da conversão de energia” e “Matemática da Experiência” em Göttingen e “Spin+X” em Kaiserslautern-Landau. A equipa em Graz foi apoiada pelo financiamento do ERC Synergy Grant “Orbital Cinema” da União Europeia.
