(a) Illustrazione del sistema di imaging al microscopio per vedere la diffusione degli eccitoni. (b) Spettri di assorbimento e fotoluminescenza (PL) di 3 tipi dei nostri nanocristalli di perovskite NC. (d-g) Risultati di imaging per i nostri 3 tipi di perovskite NC, che mostra (d) la dimensione della pompa che eccita i campioni, e (e-g) le dimensioni del loro PL. Le dimensioni maggiori delle immagini PL implicano che gli eccitoni viaggino per lunghe distanze prima di ricombinarsi ed emettere luce. Da queste dimensioni, possiamo stimare i range di viaggio degli eccitoni. Credito:Tze Chien Sum
La produzione di energia pulita e la riduzione del consumo energetico dell'illuminazione e dei dispositivi personali sono sfide fondamentali per ridurre l'impatto della civiltà moderna sull'ambiente. Di conseguenza, la crescente domanda di celle solari e dispositivi a emissione di luce sta spingendo gli scienziati a esplorare nuovi materiali semiconduttori e a migliorarne le prestazioni, pur abbassando i costi di produzione.
Nanocristalli semiconduttori (materiali con dimensioni di circa 10 nanometri, che è circa 10, 000 volte più sottili dei nostri capelli) sono molto promettenti per queste applicazioni:sono economiche da produrre, possono essere facilmente integrati in questi dispositivi e possiedono proprietà eccezionalmente migliorate all'interazione con la luce, rispetto ai loro omologhi di massa. Questo forte accoppiamento con la luce conferisce loro un vantaggio distintivo rispetto ai semiconduttori convenzionali, aprendo così la strada a dispositivi ad alta efficienza.
Sfortunatamente, questo bordo ha un costo:quando si riduce la dimensione di un semiconduttore, gli elettroni non possono più viaggiare liberamente attraverso il materiale vincolato dalle loro dimensioni fisiche. Per di più, le loro superfici molto più grandi richiedono l'uso di strategie di passivazione (ad es. con ligandi organici) per ridurre ulteriormente le trappole che potrebbero inavvertitamente influenzare il trasporto di carica. Perciò, le applicazioni pratiche e diffuse dei nanocristalli sono limitate, e il loro potenziale dirompente non può essere sfruttato.
In un nuovo articolo pubblicato su Luce:scienza e applicazioni , un team di scienziati, guidato dal professor Tze Chien Sum della Nanyang Technological University (NTU), Singapore, hanno scoperto che i nanocristalli costituiti da perovskiti ad alogenuri possiedono straordinarie proprietà di trasporto energetico, che sostituiscono il trasporto di oneri, e potrebbe aprire nuove strade per l'implementazione di questi materiali in dispositivi ad alta efficienza.
Il prof. Sum e il suo team hanno già aperto la strada allo studio del trasporto di carica in questi materiali. Nel 2013 il team ha riportato proprietà di trasporto di elettroni senza precedenti per le perovskiti di alogenuro sfuse e questa scoperta ha sostenuto i successi delle perovskiti di alogenuro negli anni successivi.
All'ingrosso, l'eccitazione da parte della luce crea cariche (elettroni e fori), che diffondono ai rispettivi elettrodi per essere estratti come corrente elettrica. Nei nanocristalli, l'eccitazione della luce crea eccitoni, che viaggiano per trasferimento di energia. Gli eccitoni si dissociano agli elettrodi ed estratti come corrente elettrica. Credito:Tze Chien Sum
In questo lavoro, Il team del prof. Sum ha dimostrato che sorprendentemente l'energia può essere trasportata in modo molto efficiente in pellicole fatte di nanocristalli. Il team ha utilizzato un sistema di imaging al microscopio per "visualizzare" l'energia che viaggia usando la loro forte emissione di luce come sonda, come mostrato in Figura 1.
Mentre le cariche negative e positive (elettroni e lacune, rispettivamente) da solo non possono viaggiare all'interno di questo materiale nanostrutturato, possono allearsi e formare i cosiddetti "eccitoni" per viaggiare insieme, come mostrato nella Figura 2. La mobilità energetica in questi materiali supera quella di altre nanostrutture convenzionali, come i punti quantici di seleniuro di cadmio (CdSe) di oltre 1 ordine di grandezza. Inoltre, l'energia può anche viaggiare in questi materiali più lontano rispetto a ciò che le cariche possono fare nella massa delle perovskiti ad alogenuri.
"Questo risultato non ha precedenti. Quando si riduce la dimensione di un materiale, solitamente significa ridurre la distanza massima che le cariche possono percorrere al suo interno. Però, nelle perovskiti ad alogenuri, quando riduci la loro dimensione a dimensione quantistica, queste cariche riescono a disporsi in eccitoni ea trovare un modo diverso di viaggiare. La loro autonomia ora è anche per distanze maggiori rispetto alla loro autonomia di viaggio iniziale prima di ridurne le dimensioni, " hanno affermato il Dott. David Giovanni e il Dott. Marcello Righetto, due dei principali autori del lavoro che hanno condiviso contributi uguali.
Qui, sono stati identificati due meccanismi di trasporto dell'energia:gli eccitoni "saltano" in modo molto efficace tra diversi nanocristalli, e il loro trasporto è assistito dalla luce di emissione che viene intrappolata all'interno del film e quindi riassorbita. Per la prima volta, scienziato ha fornito un metodo per distinguere questi due contributi.
Mentre la prossima sfida per implementare direttamente queste straordinarie proprietà per i dispositivi reali rimane ancora (vale a dire, gli eccitoni devono essere divisi in cariche positive e negative per creare una corrente rilevabile), questa scoperta del trasporto di energia a lungo raggio e dei relativi meccanismi fornisce nuovi modi di sfruttare le nanostrutture nei dispositivi.
