Comprendere gli orientamenti degli emettitori di luce nei nanomateriali stratificati e in altri film sottili potrebbe portare a dispositivi ottici migliori. Un nuovo metodo di spettroscopia consente ai ricercatori di distinguere questi orientamenti. La distribuzione angolare dell'emissione luminosa dal monostrato MoS2, sinistra, corrisponde strettamente ai calcoli teorici per gli emettitori orientati nel piano, Giusto, indicando che l'emissione di luce dal materiale simile al grafene MoS2 proviene da emettitori orientati nel piano. Credito:Zia lab/Brown University
Un team di ricerca multiuniversitario ha utilizzato un nuovo metodo spettroscopico per ottenere informazioni chiave su come la luce viene emessa dai nanomateriali stratificati e da altri film sottili.
La tecnica, chiamata spettroscopia energia-impulso, consente ai ricercatori di osservare la luce che emerge da un film sottile e determinare se proviene da emettitori orientati lungo il piano del film o da emettitori orientati perpendicolarmente al film. Conoscere gli orientamenti degli emettitori potrebbe aiutare gli ingegneri a fare un uso migliore dei materiali a film sottile in dispositivi ottici come LED o celle solari.
La ricerca, pubblicato online il 3 marzo in Nanotecnologia della natura , è stato uno sforzo collaborativo della Brown University, Case Western Reserve University, Università della Columbia, e l'Università della California-Santa Barbara.
La nuova tecnica sfrutta una proprietà fondamentale dei film sottili:l'interferenza. Gli effetti di interferenza possono essere visti nei colori dell'arcobaleno visibili sulla superficie delle bolle di sapone o delle macchie d'olio. Gli scienziati possono analizzare come la luce interferisce in modo costruttivo e distruttivo da diverse angolazioni per trarre conclusioni sul film stesso:quanto è spesso, Per esempio. Questa nuova tecnica porta quel tipo di analisi un ulteriore passo avanti per i film sottili che emettono luce.
"La differenza chiave nella nostra tecnica è che osserviamo l'energia, l'angolo e la polarizzazione con cui viene emessa la luce, " disse Rashid Zia, assistente professore di ingegneria alla Brown University e uno degli autori principali dello studio. "Possiamo mettere in relazione questi diversi angoli con orientamenti distinti degli emettitori nel film. Ad alcuni angoli e polarizzazioni, vediamo solo l'emissione di luce dagli emettitori nel piano, mentre ad altri angoli e polarizzazioni vediamo solo la luce proveniente da emettitori fuori piano."
I ricercatori hanno dimostrato la loro tecnica su due importanti materiali a film sottile, bisolfuro di molibdeno (MoS2) e PTCDA. Ciascuno rappresenta una classe di materiali promettenti per le applicazioni ottiche. MoS2 è un materiale bidimensionale simile al grafene, e PTCDA è un semiconduttore organico. La ricerca ha mostrato che l'emissione di luce da MoS2 avviene solo da emettitori nel piano. In PTCDA, la luce proviene da due specie distinte di emettitori, uno in piano e uno fuori piano.
Una volta noto l'orientamento degli emettitori, Zia dice, potrebbe essere possibile progettare dispositivi strutturati che massimizzino tali proprietà direzionali. Nella maggior parte delle applicazioni, i materiali a film sottile sono stratificati uno sopra l'altro. Gli orientamenti degli emettitori in ogni strato indicano se le eccitazioni elettroniche si verificano all'interno di ogni strato o tra strati, e questo ha implicazioni su come dovrebbe essere configurato un tale dispositivo.
"Se stavi realizzando un LED utilizzando questi materiali stratificati e sapessi che le eccitazioni elettroniche si verificano attraverso un'interfaccia, " Zia ha detto "quindi c'è un modo specifico in cui vuoi progettare la struttura per far uscire tutta quella luce e aumentare la sua efficienza complessiva".
Lo stesso concetto potrebbe applicarsi ai dispositivi che assorbono la luce come le celle solari. Comprendendo come avvengono le eccitazioni elettroniche nel materiale, potrebbe essere possibile strutturarlo in modo da convertire più luce in ingresso in elettricità.
"Una delle cose entusiasmanti di questa ricerca è il modo in cui ha riunito persone con competenze diverse, " Zia ha detto. "L'esperienza del nostro gruppo alla Brown è nello sviluppo di nuove forme di spettroscopia e nello studio dell'origine elettronica dell'emissione di luce. Il gruppo Kymissis alla Columbia ha una grande esperienza nei semiconduttori organici, e il gruppo Shan di Case Western ha una grande esperienza nei nanomateriali stratificati. Jon Schuller, il primo autore dello studio, ha fatto un ottimo lavoro nel mettere insieme tutte queste competenze. Jon era uno scienziato in visita qui alla Brown, un borsista post-dottorato presso l'Energy Frontier Research Center della Columbia, ed ora è professore alla UCSB."
