Optoelettronica:tecnologia che emana, rileva, o controlla la luce:sono utilizzati ovunque nell'elettronica moderna e includono dispositivi come diodi a emissione di luce (LED) e celle solari. All'interno di questi dispositivi, il movimento degli eccitoni (coppie di elettroni negativi e lacune positive) determina le prestazioni del dispositivo.

Fino ad ora, la distanza che gli eccitoni potevano percorrere nei sistemi optoelettronici convenzionali era di circa 30-70 nanometri, e non c'era modo di immaginare direttamente come si muovono gli eccitoni. In uno studio recentemente pubblicato su ACS Nano , un team di ricercatori della Foundry ha progettato e realizzato un sistema di nanocristalli in cui gli eccitoni possono spostarsi a una distanza record di 200 nanometri, un ordine di grandezza maggiore di quanto era possibile in precedenza. Hanno anche costruito un microscopio personalizzato in grado di visualizzare direttamente il movimento degli eccitoni.

"Il risultato scientifico è che abbiamo trovato un sistema artificiale in cui un eccitone salta da un cristallo all'altro su distanze molto lunghe, dieci volte più lontano di quanto realizzato in precedenza, " ha detto Alex Weber-Bargioni, direttore della struttura dell'Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility presso la Molecular Foundry e ricercatore principale dello studio. "Poi c'è il risultato tecnico:siamo in grado di visualizzare direttamente il movimento degli eccitoni per comprendere meglio il loro comportamento".

Il loro sistema è costituito da minuscoli cristalli di perovskite, una classe di cristalli che stanno emergendo come materiali promettenti per dispositivi optoelettronici.

"I nanocristalli di perovskite si formano in una forma cubica, che li rende facili da imballare insieme, " ha spiegato Monica Lorenzon, ricercatore post-dottorato presso la Fonderia e autore di questo lavoro. "Ma non lo fanno naturalmente su lunghe distanze". Lorenzon ha descritto come la sua collega Erika Penzo, primo autore del saggio, rivestito una superficie di silicio con un polimero contenente gruppi chimici a cui i nanocristalli di perovskite si sarebbero attaccati, formando un singolo strato di nanocristalli di perovskite strettamente imballati insieme. Questo processo di ingegneria della superficie ha prodotto un sistema di nanocristalli in cui gli eccitoni possono spostarsi da un cristallo all'altro su distanze molto lunghe.

Questo sistema ha fornito ai ricercatori un caso di studio utile per osservare come si muovono gli eccitoni, o diffuso, in modo più approfondito. "Nell'optoelettronica, se stai convertendo la luce in elettricità o viceversa, vuoi essere in grado di sintonizzare e controllare la diffusione degli eccitoni perché sono il mediatore della luce e dell'elettronica". Ha detto Weber-Bargioni. "Quindi capire quanto lontano e quanto velocemente si muovono gli eccitoni è molto utile".

Nel passato, il movimento degli eccitoni è stato misurato aggiungendo difetti, imperfezioni in un cristallo che intrappolano gli eccitoni. I ricercatori potrebbero monitorare indirettamente il movimento degli eccitoni confrontando campioni con diverse quantità di difetti. "Ma il nostro sistema è molto più diretto, " ha spiegato Lorenzon. "Possiamo effettivamente visualizzare il movimento degli eccitoni visualizzandolo direttamente con un microscopio costruito su misura. Questo metodo si traduce anche in misurazioni più accurate, rispetto alla gamma di lunghezze di diffusione che possono essere misurate per via indiretta."

Il principio di base del microscopio è che un laser viene utilizzato per eccitare (trasferire energia a) il materiale, risultando in un punto eccitato. Quando questa energia viene rilasciata, la fotoluminescenza (luce emessa dal materiale) nella stessa posizione sarà uno spot più ampio, come una goccia d'acqua su un tovagliolo di carta che si espande verso l'esterno nel tempo. Confrontando il punto eccitato con il punto di fotoluminescenza, la distanza media per cui si muovono gli eccitoni può essere misurata, con conseguente lunghezza di diffusione record di 200 nanometri. "Colpiamo il campione con un raggio laser e se filtriamo la luce laser e osserviamo la luce di fotoluminescenza, otteniamo un punto molto più ampio, ovvero gli eccitoni che si diffondono attraverso il campione, " ha spiegato Lorenzon.

Aggiungendo la risoluzione temporale, il microscopio è anche in grado di guardare la dinamica degli eccitoni, e si è riscontrato che prima si diffondono rapidamente e poi rallentano. Questa migliore comprensione di come si muovono gli eccitoni può aiutare a migliorare le prestazioni dei dispositivi optoelettronici, dove è utile sintonizzare le lunghezze di diffusione degli eccitoni per diverse applicazioni, come avere lunghe lunghezze di diffusione nelle celle solari e brevi lunghezze di diffusione nei LED.

In un follow-up di questo studio, i ricercatori hanno esplorato diversi metodi (plasma vs termico) per aggiungere un sottile, strato protettivo ai nanocristalli di perovskite. Poiché questo strato protettivo consente ai nanocristalli di vivere più a lungo, gli eccitoni possono percorrere distanze maggiori, che ha portato a una lunghezza di diffusione degli eccitoni ancora più lunga di 480 nanometri.

Anche il microscopio personalizzato è stato migliorato per includere la risoluzione energetica. Ciò ha rivelato che l'energia rimane la stessa mentre gli eccitoni si muovono attraverso il campione rivestito tramite il processo al plasma, mentre l'energia viene ridotta quando gli eccitoni vengono intrappolati nei difetti e nei grandi cristalli formati da nanocristalli fusi nel campione rivestito tramite il processo termico. Questo lavoro è stato recentemente accettato in Advanced Optical Materials.

Andando avanti, i ricercatori sono interessati a esaminare diverse classi di materiali e diversi tipi di diffusione degli eccitoni utilizzando il loro microscopio. Stanno anche cercando di indagare se il movimento degli eccitoni può essere coerente, o si muovono in sincronia tra loro.