Científicos del Centro para Nanomateriales Funcionales (CFN), en el Laboratorio Nacional Brookhaven, han usado una técnica de imagen optoelectrónica para estudiar el comportamiento electrónico de nanomateriales atómicamente delgados expuestos a la luz. Combinada con imágenes ópticas a nanoescala, esta técnica de microscopía de exploración por luz proporciona una poderosa herramienta para comprender los procesos que afectan a la generación de corriente eléctrica (fotocorriente) en estos materiales. Tal comprensión es clave para mejorar el rendimiento de los LEDs utilizados en iluminación, células solares o sensores ópticas, así como otros dispositivos optoelectrónicos que dependan de las interacciones luz-materia para convertir la luz en señales eléctricas o viceversa.
“Cualquiera que quiera saber cómo se distribuye la corriente eléctrica inducida por la luz a través de un semiconductor se beneficiará de esta capacidad”, declaró el científico de materiales del CFN Mircea Cotlet, coautor del artículo del estudio publicado en Advanced Functional Materials en el mes de Mayo.
Generando una corriente eléctrica con luz en nanomateriales
Cuando se “impactan” con luz, los semiconductores generan una corriente eléctrica. Aquellos semiconductores que constan de una copa o unas pocas capas de átomos – por ejemplo el grafeno, que tiene solo una única capa de átomos de carbono – son de especial interés para la optoelectrónica de nueva generación debido a su sensibilidad a la luz, que puede alterar de manera controlable su conductividad eléctrica y flexibilidad mecánica. Sin embargo, la cantidad de luz que pueden absorber los semiconductores atómicos es limitada, lo que limita la respuesta de los materiales a la luz.
Para mejorar las propiedades de captación de luz de estos materiales bidimensionales (2D), los científicos agregan partículas semiconductoras diminutas (10-50 átomos de diámetro) llamadas puntos cuánticos en la(s) capa(s). Los nanomateriales «híbridos» resultantes no solo absorben más luz sino que también tienen interacciones que ocurren en la interfaz donde se encuentran los dos componentes. Dependiendo de su tamaño y composición, los puntos cuánticos excitados por la luz transferirán carga o energía al material 2D. Saber cómo estos dos procesos influyen en la respuesta fotocorriente del material híbrido en diferentes condiciones ópticas y eléctricas, como la intensidad de la luz entrante y el voltaje aplicado, es importante para diseñar dispositivos optoelectrónicos con propiedades adaptadas para aplicaciones particulares.
“Los fotodetectores detectan un nivel extremadamente bajo de luz y convierten esa luz en una señal eléctrica”, explicó Cotlet. “Por otro lado, los dispositivos fotovoltaicos cómo las células solares están diseñados para absorber tanta luz como se posible para producir una corriente eléctrica. Para diseñar un dispositivo que funcione para aplicaciones de fotodetección o fotovoltaica, necesitamos saber cuál de los dos procesos (carga o transferencia de energía) es beneficioso”.
Iluminando los procesos de carga y transferencia de energía
En este estudio, los científicos del CFN combinaron disulfuro de molibdeno atómico delgado con puntos cuánticos. Para controlar las interacciones interfaciales, diseñaron dos tipos de puntos cuánticos: uno con una composición que favorece la transferencia de carga y el otro con una composición que favorece la transferencia de energía.
«Ambos tipos tienen seleniuro de cadmio en su núcleo, pero uno de los núcleos está rodeado por un caparazón de sulfuro de zinc», explicó el investigador asociado de CFN y primer autor del estudio Mingxing Li. «El caparazón es un espaciador físico que evita que ocurra la transferencia de carga. Los puntos cuánticos núcleo-capa promueven la transferencia de energía, mientras que los puntos cuánticos solo núcleo promueven la transferencia de carga «.
Los científicos utilizaron la sala limpia en la Instalación de Nanofabricación de CFN para fabricar dispositivos con los nanomateriales híbridos. Para caracterizar el rendimiento de estos dispositivos, llevaron a cabo estudios de microscopía de exploración de luz con un microscopio óptico construido internamente utilizando el equipo existente y el software de control de instrumentos de fuente abierta GXSM desarrollado por el físico y coautor de CFN Percy Zahl. En la exploración de microscopía fotocorriente, se escanea un rayo láser a través del dispositivo mientras que la fotocorriente se mide en diferentes puntos. Todos estos puntos se combinan para producir un «mapa» de corriente eléctrica. Debido a que la carga y la transferencia de energía tienen firmas eléctricas distintas, los científicos pueden usar esta técnica para determinar qué proceso está detrás de la respuesta de la fotocorriente observada.
Los mapas en este estudio revelaron que la respuesta de fotocorriente era más alta con poca exposición a la luz para el dispositivo híbrido de solo núcleo (transferencia de carga) y para una alta exposición a la luz para el dispositivo híbrido capa-nucleo (transferencia de energía). Estos resultados sugieren que la transferencia de carga es extremadamente beneficiosa para el dispositivo que funciona como un fotodetector, y la transferencia de energía es preferida para las aplicaciones fotovoltaicas.
«Distinguir las transferencias de energía y carga únicamente por técnicas ópticas, como la microscopía de imágenes de vida de fotoluminiscencia, es un desafío porque ambos procesos reducen la vida útil de la luminiscencia en grados similares», dijo el científico de materiales de CFN y co-autor Chang-Yong Nam. «Nuestra investigación demuestra que las mediciones optoelectrónicas que combinan la excitación óptica localizada y la generación de fotocorriente no solo pueden identificar claramente cada proceso sino que también sugieren posibles aplicaciones de dispositivos optoelectrónicos adecuados para cada caso».
Créditos imágenes: Center for Functional Nanomaterials (CFN). Brookhaven National Laboratory.
