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Artigo de colaboração do IFGW revela detalhes sobre as propriedades ópticas de novos semicondutores lamelares

Uma pesquisa de colaboração internacional entre pesquisadores do Brasil e da Inglaterra revelou novos detalhes sobre as propriedades de emissão óptica de monocamadas de dissulfeto de tungstênio (WS2), que pertence à classe de materiais conhecida como materiais bidimensionais (lamelares) baseados em dicalconegenetos de metais de transição (Transition Metal Dichalconenides (TMDs), em inglês). Grande parte do trabalho foi realizado no laboratório do Grupo de Propriedades Ópticas (GPO) e foi resultado da pesquisa desenvolvida pela pós-doutoranda Vanessa Orsi Gordo e pelos professores Odilon D. D. Couto Jr. e Fernando Iikawa. O artigo foi publicado recentemente na revista Nanoscale [1].

A pesquisa em materiais lamelares para aplicação em optoeletrônica, impulsionada após a descoberta do grafeno, cresceu consideravelmente nos últimos anos. Um dos desafios atuais é produzir monocamadas de dimensões grandes para a fabricação industrial de dispositivos.

Entender as propriedades de emissão óptica dessas monocamadas de grande escala é imprescindível para futuros dispositivos de optoeletrônica baseados em TMDs. O WS2, assim como outros TMDs semicondutores, na forma bulk apresenta gap indireto de energia. Porém, em monocamada, possuem gap direto na região visível. Em comparação com semicondutores tradicionais, como Si, Ge e compostos III-V, os TMDs apresentam uma interação excitônica quase duas ordens de grandeza maior, o que faz com que a emissão de luz seja considerável, mesmo à temperatura ambiente. Além disso, por ausência de simetria de inversão temporal, as bandas eletrônicas de spins opostos se encontram em vales distintos no espaço-k, o que colocam os TMDs na vitrine de campos como spintrônica envolvendo vales, conhecida como valetrônica. Estas são algumas das inúmeras propriedades que torna tais materiais promissores para futuros nanodispositivos com aplicações em fotônica e optoeletrônica.

Neste trabalho, as monocamadas de WS2 foram produzidas pela primeira vez por epitaxia de Van der Waals (VdWE) em grande escala (tamanhos 30 mm x 35 mm). O estudo mostra que a emissão óptica dessas monocamadas, medida por espectroscopia de fotoluminescência, indica a presença de diferentes complexos excitônicos no sistema, como éxcitons livres (um elétron e um buraco), tríons (dois elétrons e um buraco), éxcitons ligados à impurezas e estados localizados. Os autores mostraram que a intensidade relativa de cada uma das emissões varia no tempo e depende da densidade de excitação óptica. A instabilidade óptica é proveniente de portadores injetados na monocamada pelo substrato de SiO2 ou pela dessorção de moléculas na superfície, que dependem da potência do laser de excitação. Em particular, os autores usaram esta instabilidade para identificar a emissão do complexo de tríons no primeiro estado excitado nessas monocamadas, cuja origem física e dinâmica ainda são questões abertas.

O estudo das propriedades óticas e instabilidade em TMDs, causados por fotodopagem, é de fundamental importância na compreensão da física de muitos corpos em sistemas de semicondutores lamelares e o efeito de instabilidade pode ser um fator limitante para o bom funcionamento nanodispositivos futuros.

O trabalho publicado é fruto da colaboração do GPO com o grupo da professora Yara G. Gobato da Ufscar, com o professor Fanyo Qu da UnB, com o grupo do professor M. Henini da Universidade de Nottingham e com grupo do professor C. C. Huang da Universidade de Southampton, no Reino Unido, onde as amostras foram produzidas.

Para saber mais sobre o trabalho, clique aqui.

[1] V. Orsi Gordo et. al. Nanoscale, 10, 4807 (2018) (DOI: 10.1039/C8NR00719E)

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