Revelando el papel de los excitones oscuros en la generación de corriente
Investigadores del ICFO, en una colaboración internacional, presentan una novedosa técnica para rastrear excitones brillantes y oscuros, los portadores de energía en materiales optoelectrónicos y fotovoltaicos, a temperatura ambiente.
En la búsqueda de un transporte de energía y una generación de corriente eficientes, es esencial comprender cómo viajan los portadores de energía a través de dispositivos optoelectrónicos y fotovoltaicos. Estos portadores no son electrones por sí solos. En cambio, cuando un electrón se excita, su promoción en energía deja tras de sí una ausencia de carga negativa o, en otras palabras, un “hueco” cuasi-positivo. El electrón y el hueco se enlazan, formando lo que se conoce como un excitón; el verdadero portador de energía potencial dentro del material. Para convertir esta energía en corriente eléctrica, es necesario separar de nuevo el electrón y el hueco. Conseguir una “separación de carga” eficiente es un proceso crítico a optimizar en los materiales emergentes.
Sin embargo, no todos los excitones logran generar corriente. En algunos casos, el electrón pierde energía al volver a llenar el hueco, produciendo un fotón, en un proceso llamado recombinación. Estos son conocidos como excitones brillantes, ya que la emisión de fotones da lugar a la fotoluminiscencia. Otros excitones, sin embargo, tienen una configuración específica que, según las reglas de la mecánica cuántica, es incompatible con la recombinación. Debido a que no emiten fotones fácilmente, se conocen como excitones oscuros. La ausencia de recombinación les proporciona más tiempo para desplazarse a través del dispositivo, aumentando sus posibilidades de llegar a un electrodo y generar corriente mediante la separación de carga.
Aunque hace tiempo que se acepta que los excitones oscuros desempeñan un papel clave en la generación de corriente, su falta de respuesta óptica los hace difíciles de estudiar. Los métodos experimentales se han centrado principalmente en los excitones brillantes, precisamente porque emiten fotoluminiscencia, la cual puede detectarse convenientemente; o bien han requerido temperaturas criogénicas, muy alejadas de las condiciones del mundo real, para detectar cualquier indicio de excitones oscuros.
Ahora, los investigadores del ICFO Joseph Wragg, el Dr. Luca Bolzonello, dirigidos por el Prof. ICREA Niek van Hulst, así como el Dr. Karuppasamy Pandian Soundarapandian y Riccardo Bertini, bajo la dirección del Prof. ICREA Frank Koppens, en colaboración con el Laboratorio Europeo de Espectroscopía No Lineal, la School for Engineering of Matter, Transport and Energy (Arizona), y el National Institute for Materials Science (Tsukuba, Japón), han desarrollado un método para rastrear excitones en materiales a temperatura ambiente, tanto espacial como espectralmente, distinguiendo además entre las contribuciones brillantes y oscuras. Publicada en Nano Letters, esta nueva técnica promete ser una potente herramienta para comprender el comportamiento de los diferentes estados de los excitones y abre nuevas vías para la investigación futura de materiales, incluyendo la próxima generación de dispositivos electrónicos y fotovoltaicos.
Para lograr estos resultados, el equipo llevó a cabo espectroscopía de acción, un método que rastrea tanto la fotoluminiscencia generada como las señales de fotocorriente, asociadas a los excitones brillantes y oscuros, respectivamente. Como caso de estudio, investigaron el WSe₂, un semiconductor bidimensional ampliamente utilizado en ciencia de materiales. Al comparar ambas respuestas, los investigadores pudieron inferir el papel de cada tipo de excitación en el material. Además, examinaron cómo el número de capas del material afecta la fotoluminiscencia y la fotocorriente, explorando no solo la interacción entre excitones brillantes y oscuros en cada espesor, sino también la estabilidad de cada estado excitado.
"Este enfoque nos permite construir una imagen completa de la creación, vida y extinción de los excitones en este tipo de materiales", comparte Joseph Wragg, primer autor del artículo, quien recuerda haber observado transporte a distancias de varios micrómetros. Y añade: “Los excitones oscuros nunca se habían estudiado de esta manera antes, y nuestra capacidad de recuperar este tipo de datos a temperatura ambiente es realmente prometedora para futuros trabajos”.
En conjunto, esta novedosa técnica ofrece una ventana de observación hacia los mecanismos de transferencia de energía en materiales que son críticos para tecnologías optoelectrónicas y fotovoltaicas. De hecho, los conocimientos que este trabajo ha brindado podrían desempeñar un papel clave a la hora de desbloquear su máximo potencial.
Referencia:
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
Agradecimientos:
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).