Revelen el paper dels excitons foscos en la generació de corrent
Investigadors de l'ICFO, en una col·laboració internacional, presenten una nova tècnica per rastrejar excitons brillants i foscos, els portadors d'energia en materials optoelectrònics i fotovoltaics, a temperatura ambient.
En la recerca d'un transport d'energia i una generació de corrent eficients, és essencial comprendre com viatgen els portadors d'energia a través de dispositius optoelectrònics i fotovoltaics. Aquests portadors no són electrons per si sols. Quan un electró s’excita, la seva promoció en energia deixa rere seu una absència de càrrega negativa o, en altres paraules, un "forat" quasi positiu. L'electró i el forat s'enllacen, formant el que es coneix com un excitó: el veritable portador d'energia potencial dins del material. Per convertir aquesta energia en corrent elèctric, cal separar novament l'electró i el forat. Aconseguir una “separació de càrrega” eficient és un procés crític a optimitzar en els materials emergents.
Tanmateix, no tots els excitons aconsegueixen generar corrent. En alguns casos, l'electró perd energia en tornar a omplir el forat, produint un fotó, en un procés anomenat recombinació. Aquests són coneguts com excitons brillants, ja que l'emissió de fotons dona lloc a la fotoluminescència. D’altres excitons, però, tenen una configuració específica que, segons les regles de la mecànica quàntica, és incompatible amb la recombinació. Com que no emeten fotons fàcilment, són coneguts com a excitons foscos. L'absència de recombinació els proporciona més temps per desplaçar-se a través del dispositiu, augmentant així les seves possibilitats d'arribar a un elèctrode i generar corrent mitjançant la separació de càrrega.
Tot i que fa temps que s'accepta que els excitons foscos juguen un paper clau en la generació de corrent, la seva manca de resposta òptica els fa difícils d'estudiar. Els mètodes experimentals s'han centrat principalment en els excitons brillants, precisament perquè emeten fotoluminescència, que es pot detectar convenientment; o bé han requerit temperatures criogèniques, molt allunyades de les condicions del món real, per poder detectar algun senyal dels excitons foscos.
Ara, els investigadors de l'ICFO Joseph Wragg, el Dr. Luca Bolzonello, sota la direcció del Prof. ICREA Niek van Hulst, així com el Dr. Karuppasamy Pandian Soundarapandian i Riccardo Bertini, sota la direcció del Prof. ICREA Frank Koppens, en col·laboració amb el Laboratori Europeu d'Espectroscòpia No Lineal, la School for Engineering of Matter, Transport and Energy (Arizona), i el National Institute for Materials Science (Tsukuba, Japó), han desenvolupat un mètode per rastrejar excitons en materials a temperatura ambient, tant espacialment com espectralment, distingint també entre les contribucions brillants i fosques. Publicada a Nano Letters, aquesta nova tècnica promet ser una eina potent per comprendre el comportament dels diferents estats dels excitons i obre noves vies per a la recerca futura de materials, incloent-hi la pròxima generació de dispositius electrònics i fotovoltaics.
Per assolir aquests resultats, l'equip va dur a terme espectroscòpia d'acció, un mètode que rastreja tant la fotoluminescència generada com els senyals de fotocorrent, associats als excitons brillants i foscos, respectivament. Com a cas d'estudi, van investigar el WSe₂, un semiconductor bidimensional àmpliament utilitzat en ciència de materials. En comparar ambdues respostes, els investigadors van poder inferir el paper de cada tipus d'excitació dins del material. A més, van examinar com afecta el nombre de capes del material a la fotoluminescència i al fotocorrent, explorant no només la interacció entre excitons brillants i foscos en cada gruix, sinó també l'estabilitat de cada estat excitat.
"Aquest enfocament ens permet construir una imatge completa de la creació, vida i extinció dels excitons en aquest tipus de materials", comparteix Joseph Wragg, primer autor de l'article, qui recorda haver observat transport a distàncies de diversos micròmetres. I afegeix: "Els excitons foscos mai no s'havien estudiat d'aquesta manera abans, i la nostra capacitat de recuperar aquest tipus de dades a temperatura ambient és realment prometedora per a futurs treballs".
En conjunt, aquesta nova tècnica ofereix una finestra d'observació als mecanismes de transferència d'energia en materials que són crítics per a les tecnologies optoelectròniques i fotovoltaiques. De fet, els coneixements que aquest treball ha aportat podrien jugar un paper clau a l’hora de desbloquejar el seu màxim potencial.
Referència:
Joseph Wragg, Luca Bolzonello, Ludovica Donati, Karuppasamy Pandian Soundarapandian, Riccardo Bertini, Seth Ariel Tongay, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Frank H. L. Koppens, and Niek F. van Hulst. Dual Action Spectroscopy Exposes the Bright and Dark Excitons of Room-Temperature WSe2. Nano Letters (2025).
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c06349
Agraïments:
J.W., L.B., and N.F.v.H. acknowledge support through the MCIN/AEI projects PID2021-123814OB-I00, TED2021-129241BI00, the ”Severo Ochoa” program for Centres of Excellence in R&D CEX2019-000910-S, Fundacio Privada Cellex, Fundacio Privada Mir-Puig, and the Generalitat de Catalunya through the CERCA program. N.F.v.H. acknowledges financial support from the European Commission (ERC Advanced Grant 101054846-FastTrack). This work is part of the ICFO Clean Planet Program supported by Fundació Joan Ribas Araquistain (FJRA).