I ricercatori dell'Istituto di fisica dello stato solido delineano un approccio radicalmente nuovo per la progettazione delle proprietà ottiche ed elettroniche dei materiali in Materiale avanzato .

La progettazione computazionale dei materiali è tradizionalmente utilizzata per migliorare e sviluppare ulteriormente i materiali già esistenti. Le simulazioni garantiscono una visione approfondita degli effetti della meccanica quantistica che determinano le proprietà dei materiali. Egbert Zojer e il suo team presso l'Istituto di fisica dello stato solido di TU Graz fanno un passo decisivo oltre:utilizzano simulazioni al computer per proporre un concetto completamente nuovo per il controllo delle proprietà elettroniche dei materiali. Influenze potenzialmente disturbanti derivanti dalla disposizione regolare degli elementi polari, i cosiddetti effetti elettrostatici collettivi, vengono utilizzati dal gruppo di ricerca per manipolare intenzionalmente le proprietà dei materiali. Che questo approccio radicalmente nuovo funzioni anche per i materiali tridimensionali è stato dimostrato dal team di Graz in Materiale avanzato , che secondo Google Scholar è la rivista internazionale più importante nel campo della ricerca sui materiali.

Manipolazione del paesaggio dei materiali energetici

"L'approccio di base del concetto di progettazione elettrostatica è modificare gli stati elettronici dei semiconduttori tramite la disposizione periodica dei gruppi dipolari. In questo modo siamo in grado di manipolare localmente i livelli di energia in modo controllato. In tal modo, non cerchiamo di trovare modi per aggirare tali effetti che sono inevitabili soprattutto alle interfacce. Piuttosto, ne facciamo un uso deliberato per i nostri scopi, " spiega Egbert Zojer.

Questo argomento è già da tempo al centro della ricerca del gruppo Zojer. Il primo passo è stato la progettazione elettrostatica di monostrati molecolari, per esempio su elettrodi d'oro. Gli esperimenti hanno dimostrato che gli spostamenti di energia previsti all'interno degli strati si verificano effettivamente e che il trasporto di carica attraverso i monostrati può essere deliberatamente modulato. Anche, gli stati elettronici dei materiali bidimensionali, come il grafene, può essere controllato mediante effetti elettrostatici collettivi. Nella pubblicazione in Materiale avanzato , dottoranda Veronika Obersteiner, Egbert Zojer e altri colleghi del team dimostrano il pieno potenziale del concetto estendendolo ai materiali tridimensionali.

"Per l'esempio delle reti organiche covalenti tridimensionali, mostriamo come, per mezzo di effetti elettrostatici collettivi, il panorama energetico all'interno del materiale sfuso tridimensionale può essere manipolato in modo tale da poter realizzare percorsi spazialmente confinati per elettroni e lacune. In questo modo i portatori di carica possono, ad esempio, essere separati e le proprietà elettroniche del materiale possono essere progettate come desiderato, "dice Zojer.

Il concetto è particolarmente interessante per le celle solari. Nelle classiche celle solari organiche, elementi costitutivi chimicamente diversi, cosiddetti donatori e accettanti, sono usati per separare le coppie elettrone-lacuna fotogenerate. Nell'approccio qui proposto, il necessario spostamento locale dei livelli di energia si verifica a causa della disposizione periodica dei gruppi polari. Le aree semiconduttrici su cui vengono spostati gli elettroni e le lacune sono chimicamente identiche. "In questo modo, possiamo quasi-continuamente ed efficientemente mettere a punto i livelli di energia variando la densità del dipolo. Questo lavoro è il culmine della nostra intensa ricerca sulla progettazione elettrostatica dei materiali, "dice Zojer.

La progettazione elettrostatica nei sistemi 3D può anche consentire la realizzazione di complesse strutture quantistiche, come cascate quantistiche e scacchiere quantistiche. "Solo l'immaginazione del progettista dei materiali può porre limiti al nostro concetto, "dice Zojer.