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Estudo revela nanomateriais promissores para aplicação em lasers

Trabalho liderado pelo grupo de pesquisa do Laboratório de Fenômenos Ultrarrápidos foi publicado na revista The Journal of Physical Chemistry Letters deste mês com o título “Two-photon absorption and two-photon-induced gain in perovskite quantum dots”. Este trabalho, que contou com a participação de alunos de Doutorado e de Graduação do IFGW, é fruto de colaboração do IFGW, Prof. Lázaro Padilha (IFGW, DEQ), com o Instituto de Química da Unicamp, Profa. Ana F. Nogueira (IQ) e com a Universidade de Oxford, na Inglaterra.

História

Nos anos de 2011 e 2012 vários grupos de pesquisa reportaram resultados promissores para células solares produzidas com materiais do tipo perovskita - uma classe de materiais cristalinos que têm formula química do tipo ABC3, na qual os íons de B são rodeados por um octaedro de íons C - apresentavam condições excelentes de eficiência quanto à emissão de luz e de não linearidades ópticas. “A descoberta daquela época foi que (as perovskitas) eram bons para fabricação de células solares por terem grande eficiência no transporte de carga por conta da forma como os elétrons se ajustam no material”, explica o professor Lázaro. Em 2015 um grupo Suíço conseguiu sintetizar o primeiro nanomaterial de perovskita usando césio, chumbo e bromo. A primeira propriedade importante que eles encontraram foi que eram muito brilhantes, ou seja, a eficiência de emissão de luz era da ordem de 70% e que a largura de linha de emissão era bastante fina comparada a outros materiais. “Em nossa primeira publicação sobre o assunto, em 2016, nós procuramos entender suas propriedades fundamentais, e os processos físicos que ocorrem no material para terem tais comportamentos. Basicamente estudamos as interações multi-exitônicas do material a fim de entendermos como elas funcionam”, explica Gabriel Nagamine, doutorando e primeiro autor do artigo publicado. Logo se pensou em usar esses materiais para LEDs, porém eles não funcionavam a contento e o grupo resolveu entender o porquê desse mau funcionamento. “Uma vez que se tivesse mais de um par elétron-buraco no material, a interação entre eles era muito forte, o que gerava uma recombinação não radioativa muito rápida. Assim, os portadores não tinham tempo para recombinar emitindo luz, o que é muito ruim para LEDs. Por outro lado, a interação coulumbiana reduz a energia de emissão do segundo éxciton em comparação com o primeiro. Consequentemente, quando o segundo éxciton é emitido a chance de reabsorção pelo material é muito baixa porque a energia dele é menor. Então percebemos que poderíamos estudar o material para se comportar como laser, uma vez que se a emissão estimulada é maior do que a reabsorção, o ganho óptico é favorecido em relação as perdas”, observa Lázaro.

O artigo

Nos estudos recentes o grupo viu a oportunidade de sintetizar e estudar um material similar e que pudesse ser utilizado como laser. Foi feita a parceria com o Instituo de Química: o aluno de doutorado Luiz Gustavo Bonato, co-orientado pelo Prof. Lázaro, e a aluna de Iniciação Cientifica do grupo, Jaqueline de Oliveira Rocha, utilizaram a técnica conhecida como Hot Injection Technique. Utilizaram um frasco com 3 entradas: uma ligada a um termopar, outra a uma bomba de vácuo e pela terceira se faz injeção dos elementos químicos a quente. Obtiveram o nano composto CsPbBr3 – que foi disperso em solução de hexano, formando o líquido luminescente da foto.

Segundo o professor, a grande contribuição científica do trabalho está em explicar a origem física do processo: a correlação da diminuição entre o limiar para amplificação da emissão espontânea do sistema e o aumento da energia de ligação do segundo éxciton. Quanto mais deslocado estiver o segundo éxciton, mais baixo será esse limiar, ou seja, é um processo favorecido pela diminuição da reabsorção. O limiar baixo nos mostra que é necessário fornecer menos energia na entrada para se ter amplificação óptica na saída, obtendo-se um aumento na eficiência energética do sistema. A alta seção de choque de absorção de dois fótons apresentado por esses materiais também é outro fator que favorece essa alta eficiência apresentada. “Conseguimos fazer o material ter emissão estimulada com cerca de um mili joule/cm2 de energia na entrada do sistema o que é um fator cerca de seis vezes menor em comparação a outros materiais, para o caso de excitação com dois fótons”, comemora Lázaro.

Gabriel explica que nesse material pode-se controlar a sua faixa de emissão simplesmente controlando o seu tamanho ou o haleto utilizado na sua composição. “Utilizamos 3 átomos de bromo, mas poderíamos ter usado dois bromos e um iodo, ou três iodos, levando a luz laser emitida cada vez mais para o espectro do vermelho. Na emissão podemos cobrir do azul até o vermelho. Poderíamos escolher o comprimento de onda emitido pelo laser pela simples troca do haleto final”, esclarece Gabriel. Futuramente poderemos ter a opção de construção lasers mais eficientes, com bombeio mais baixo e com variedade de cores, escolhendo a cor de amplificação.

O grupo agradece os autores da Universidade de Oxford, UK, que colaboraram com as imagens de microscopia eletrônica das nanopartículas estudadas no artigo e o financiamento das agências de fomento Fapesp, Capes, CNPq e também à The Royal Society através do Newton Advanced Fellowship.

Clique aqui para acesso ao artigo completo.

Foto do Grupo

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