O momento da luz transforma o silício puro de um semicondutor de banda proibida indireta em uma banda proibida direta

Uma pesquisa liderada pela UC Irvine revela que as propriedades ópticas dos materiais podem ser drasticamente melhoradas — não alterando os materiais em si, mas dando novas propriedades à luz.

Os pesquisadores demonstraram que, ao manipular o momento dos fótons incidentes, eles poderiam mudar fundamentalmente como a luz interage com a matéria. Um exemplo marcante de suas descobertas é que as propriedades ópticas da luz pura silícioum semicondutor essencial e amplamente utilizado, pode ser aprimorado em surpreendentes quatro ordens de magnitude.

Esta descoberta promete transformar conversão de energia photo voltaic e optoeletrônica em geral. estudardestaque como matéria de capa da edição de setembro da ACS Nanofoi realizado em colaboração com a Universidade Federal de Kazan e a Universidade de Tel Aviv.

“Neste estudo, desafiamos a crença tradicional de que interações luz-matéria são determinados unicamente pelo materials”, disse Dmitry Fishman, autor sênior e professor adjunto de química. “Ao dar novas propriedades à luz, podemos remodelar fundamentalmente como ela interage com a matéria.

“Como resultado, materiais existentes ou opticamente ‘subestimados’ podem atingir capacidades que nunca imaginamos possíveis. É como acenar uma varinha mágica — em vez de projetar novos materiais, aprimoramos as propriedades dos existentes simplesmente modificando a luz que entra.”

“Este fenômeno fotônico deriva diretamente do princípio da incerteza de Heisenberg”, disse Eric Potma, coautor e professor de química. “Quando a luz é confinada a escalas menores do que alguns nanômetros, sua distribuição de momento se amplia. O aumento de momento é tão substancial que ultrapassa o dos fótons do espaço livre por um fator de mil, tornando-o comparável aos momentos dos elétrons em materiais.”

Ara Apkarian, um distinto professor de química, expandiu isso, dizendo: “Esse fenômeno muda fundamentalmente como a luz interage com a matéria. Tradicionalmente, os livros didáticos nos ensinam sobre transições ópticas verticais, onde um materials absorve luz com o fóton mudando apenas o estado de energia do elétron.

“No entanto, fótons aprimorados por momentum podem mudar tanto os estados de energia quanto de momentum dos elétrons, desbloqueando novos caminhos de transição que não tínhamos considerado antes. Falando figurativamente, podemos ‘inclinar o livro didático’, pois esses fótons permitem transições diagonais. Isso impacta dramaticamente a capacidade de um materials de absorver ou emitir luz.”

Fishman continuou, “Tome o silício, por exemplo — o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre e a espinha dorsal da eletrônica moderna. Apesar de seu uso generalizado, o silício é um mau absorvedor de luz, o que há muito tempo limita sua eficiência em dispositivos como Painéis solares.

“Isso ocorre porque o silício é um semicondutor indireto, o que significa que ele depende de fônons (as vibrações da rede) para permitir transições eletrônicas. A física da absorção de luz no silício é tal que, enquanto um fóton muda o estado de energia do elétron, um fônon é simultaneamente necessário para mudar o estado de momentum do elétron.

“Como a probabilidade de um fóton, fônon e elétron interagirem no mesmo lugar e tempo é baixa, as propriedades ópticas do silício são inerentemente fracas. Isso tem representado um desafio significativo para a optoeletrônica e até mesmo retardou o progresso na tecnologia de energia photo voltaic.”

Potma enfatizou: “Com os efeitos crescentes das mudanças climáticas, é mais urgente do que nunca mudar de combustíveis fósseis para energia renovável. A energia photo voltaic é essencial nessa transição, mas as células solares comerciais das quais dependemos estão aquém.

“A baixa capacidade do silício de absorver luz significa que essas células exigem camadas espessas — quase 200 micrômetros de materials cristalino puro — para capturar a luz photo voltaic de forma eficaz. Isso não apenas aumenta os custos de produção, mas também limita a eficiência devido à recombinação aumentada de portadores.

“As células solares de película fina são amplamente vistas como a solução para ambos os desafios. Embora materiais alternativos como semicondutores de banda proibida direta tenham demonstrado células solares finas com eficiências superiores a 20%, esses materiais são frequentemente propensos à degradação rápida ou vêm com alta custos de produçãotornando-os impraticáveis ​​no momento.”

“Guiados pela promessa da energia fotovoltaica de película fina baseada em Si, os pesquisadores têm buscado maneiras de melhorar a absorção de luz no silício por mais de quatro décadas”, acrescentou Apkarian. “Mas um verdadeiro avanço continua indefinido.”

Fishman continuou, “Nossa abordagem dá um passo radicalmente diferente para a frente. Ao permitir transições diagonais por meio de fótons aprimorados por momento, transformamos efetivamente o silício puro de um semicondutor de bandgap indireto para um direto — sem alterar o materials em si. Isso leva a um aumento dramático na capacidade do silício de absorver luz, em várias ordens de magnitude.

“Isso significa que podemos reduzir a espessura das camadas de silício pelo mesmo fator, abrindo a porta para dispositivos ultrafinos e células solares que podem superar as tecnologias atuais por uma fração do custo. Além disso, como o fenômeno não requer nenhuma alteração no materials, a abordagem pode ser integrada às tecnologias de fabricação existentes com pouca ou nenhuma modificação.”

Apkarian concluiu: “Estamos apenas começando a explorar a ampla gama de fenômenos associados ao confinamento de luz na nanoescala e além. A física envolvida é rica em potencial para descobertas fundamentais e aplicadas. No entanto, o impacto imediato já está claro.

“Transformando o silício em um semicondutor de banda proibida direta por meio de fóton “O momentum tem o potencial de revolucionar a conversão de energia e a optoeletrônica.”

Os coautores deste estudo incluíram Jovany Merham, especialista júnior em química da UC Irvine, os pesquisadores da Universidade Federal de Kazan Sergey Kharintsev, Aleksey Noskov, Elina Battalova e os pesquisadores da Universidade de Tel Aviv Liat Katrivas e Alexander Kotlyar.