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Inovação Tecnológica

Brasileiros descrevem novos detalhes da perovskita, a bola da vez da eletrônica

Publicado em 26 fevereiro 2021

Por José Tadeu Arantes |Agência FAPESP

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.

Uma equipe de físicos do Brasil e dos EUA coletou novas informações essenciais para o uso prático de um dos materiais mais promissores da eletrônica: as perovskitas.

Já usadas para fabricar algumas das células solares mais eficientes do mundo - em escala de laboratório - as perovskitas são uma classe de materiais que apresentam a mesma estrutura cristalina da perovskita original, um óxido de cálcio e titânio (CaTiO3) descoberto na Rússia em 1839 e batizado em homenagem ao mineralogista russo Lev Perovski (1792-1856).

Mas o material é útil em uma infinidade de aplicações - como na lógica multibits da computação neuromórfica - graças a uma série de propriedades, incluindo a alta qualidade dos pontos quânticos que podem ser fabricados com ele.

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.

Pontos quânticos de perovskita

Mas há um problema que pode prejudicar a eficiência de componentes que usam os pontos quânticos de perovskita 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".

É aí que entra o trabalho da equipe de físicos da Unicamp (Universidade Estadual de Campinas) e da Universidade de Michigan (EUA): Eles conseguiram descrever em um detalhamento inédito como a física fundamental atuante nos pontos quânticos de perovskita faz com que o retardo da emissão luminosa seja menor nesses materiais.

"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 o professor Lázaro Padilha, coordenador brasileiro da pesquisa.

O trabalho detalha os níveis de energia dos elétrons conforme eles ganham e perdem energia dentro dos pontos quânticos.

[Imagem: Albert Liu et al. - 10.1126/sciadv.abb3594]

Usos em óptica e eletrônica

É o próprio professor Padilha quem explica as principais conclusões do trabalho.

"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".

"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," afirmou o pesquisador.

"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," finalizou a professora Ana Flávia Nogueira, membro da equipe.

Bibliografia:

Artigo: Multidimensional coherent spectroscopy reveals triplet state coherences in cesium lead-halide perovskite nanocrystals

Autores: Albert Liu, Diogo B. Almeida, Luiz G. Bonato, Gabriel Nagamine, Luiz F. Zagonel, Ana F. Nogueira, Lazaro A. Padilha, S. T. Cundiff

Revista: Science Advances

Vol.: 7, no. 1, eabb3594

DOI: 10.1126/sciadv.abb3594