Il biossido di titanio (TiO2) è oggi uno dei materiali più promettenti per il fotovoltaico e la fotocatalisi. Questo materiale appare in diverse forme cristalline, ma quello più attraente per le applicazioni si chiama "anatasio". Nonostante decenni di studi sulla conversione della luce assorbita in cariche elettriche in anatasio TiO2, la natura stessa delle sue proprietà elettroniche e ottiche fondamentali era ancora sconosciuta. scienziati dell'EPFL, con partner nazionali e internazionali, hanno ora fatto luce sul problema mediante una combinazione di tecniche spettroscopiche all'avanguardia allo stato stazionario e ultraveloci, anche calcoli teorici. L'opera è pubblicata in Comunicazioni sulla natura .

Anatase TiO2 è coinvolto in un'ampia gamma di applicazioni, che vanno dal fotovoltaico e fotocatalisi ai vetri autopulenti, e purificazione dell'acqua e dell'aria. Tutti questi si basano sull'assorbimento della luce e sulla sua successiva conversione in cariche elettriche. Dato il suo uso diffuso in varie applicazioni, Il TiO2 è stato uno dei materiali più studiati nel ventesimo secolo, sia sperimentalmente che teoricamente.

Quando la luce colpisce un materiale semiconduttore come TiO2, genera cariche libere negative (elettroni) e positive (buche) o una coppia elettrone-lacuna neutra legata, chiamato eccitone. Gli eccitoni sono di grande interesse perché possono trasportare sia energia che cariche su scala nanometrica, e costituiscono la base di un intero settore dell'elettronica di nuova generazione, chiamato "eccitonico". Il problema con TiO2 finora è che non siamo stati in grado di identificare chiaramente la natura e le proprietà dell'oggetto fisico che assorbe la luce e caratterizzarne le proprietà.

Il gruppo di Majed Chergui all'EPFL, insieme a colleghi nazionali e internazionali, hanno fatto luce su questa domanda di vecchia data utilizzando una combinazione di metodi sperimentali all'avanguardia:spettroscopia di fotoemissione risolta ad angolo in stato stazionario (ARPES), che mappa l'energia degli elettroni lungo i diversi assi nel solido; ellissometria spettroscopica, che determina le proprietà ottiche del solido con elevata precisione; e spettroscopia ultraveloce bidimensionale nell'ultravioletto profondo, utilizzato per la prima volta nello studio dei materiali, insieme a strumenti teorici all'avanguardia sui principi primi.

Hanno scoperto che la soglia dello spettro di assorbimento ottico è dovuta a un eccitone fortemente legato, che esibisce due straordinarie nuove proprietà:primo, è confinato su un piano bidimensionale (2D) del reticolo tridimensionale del materiale. Questo è il primo caso del genere mai riportato in forma condensata. E in secondo luogo, questo eccitone 2D è stabile a temperatura ambiente e robusto contro i difetti, poiché è presente in qualsiasi tipo di TiO2-cristalli singoli, pellicole sottili, e persino le nanoparticelle utilizzate nei dispositivi.

Questa "immunità" dell'eccitone a disordini e difetti strutturali a lungo raggio implica che può immagazzinare l'energia in entrata sotto forma di luce e guidarla su scala nanometrica in modo selettivo. Ciò promette un enorme miglioramento rispetto alla tecnologia attuale, in cui l'energia luminosa assorbita viene dissipata sotto forma di calore al reticolo cristallino, rendendo gli schemi di eccitazione convenzionali estremamente inefficienti.

Per di più, l'eccitone appena scoperto è molto sensibile a una varietà di stimoli esterni e interni nel materiale (temperatura, pressione, densità elettronica in eccesso), aprendo la strada a un potente, schema di rilevamento accurato ed economico per sensori con lettura ottica.

"Dato che è economico e facile fabbricare materiali anatasio TiO2, questi risultati sono cruciali per molte applicazioni e non solo", dice Majed Chergui. "Sapere come vengono generate le cariche elettriche dopo l'assorbimento della luce è un ingrediente chiave per fotocatalizzatori efficienti".