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Propriedade de semi condutores é demonstrado de forma inédita com participação de pesquisadores do IFGW

Nanomateriais semicondutores vêm revolucionando a ciência e tecnologia nas últimas décadas devido a suas propriedades ímpares. Nessas estruturas, por exemplo, é possível obter um controle sem precedentes das suas propriedades ópticas e eletrônicas a partir da manipulação de seu formato, composição e tamanho. Além disso, devido a efeitos de confinamento quântico (tamanho diminuto) e dielétrico (diferença nas constantes dielétricas), essas estruturas também representam uma importante plataforma para estudos de física fundamental. No campo das aplicações, nanomateriais semicondutores com composições livres de metais pesados, como o CuInS2, ganharam destaque nos últimos anos com ênfase na sua utilização em dispositivos opto-eletrônicos, como LEDs, células solares e janelas solares.

No caso específico desses nanomateriais, além da baixa toxicidade devido a sua composição, algumas de suas propriedades ópticas e eletrônicas merecem destaque devido a sua relevância para aplicações tecnológicas. Dentre elas, podemos citar o grande deslocamento Stokes entre o pico de absorção e emissão (pode chegar a 500 meV) e do longo tempo de vida do estado excitado (centenas de nanossegundos a alguns microssegundos). Apesar da relevância, o mecanismo físico que leva a tais propriedades é ainda fruto de intenso debate na literatura. Em um trabalho liderado pelo grupo de Espectroscopia Ultra-rápida do IFGW, em colaboração com a empresa americana UbiQD e o Naval Research Laboratory, publicado na edição de outubro da Nano Letters, ajudou a explicar as razões para tal comportamento e, além disso, demonstrou ainda outra prop riedade única da estrutura eletrônica desses nanomateriais.

Tipicamente, a primeira transição óptica permitida em nanomateriais, por absorção de um fóton, ocorre entre o topo da banda de valência e o fundo da banda de condução. Isso ocorre porque a paridade das funções de onda no fundo da banda de condução e no topo da banda de valência são opostas, possibilitando uma transição por absorção de um fóton. Este trabalho teve a participação do Prof. Dr. Carlos Henrique de Brito Cruz e do Prof. Dr. Lázaro Aurélio Padilha Júnior e foi também tema da Dissertação de Mestrado do aluno Gabriel Nagamine e do trabalho de iniciação científica do aluno Henrique Nunciaroni, foi demonstrado que este paradigma não é válido para nanomateriais de CuInS2. Ou seja, foi demonstrado experimentalmente que a primeira transi ção óptica neste nanomaterial não define seu bandgap de energia, e que a transição entre o topo da banda de valência e fundo da banda de condução por absorção de um fóton é uma transição formalmente proibida por paridade.

O resultado desta pesquisa é a primeira demonstração experimental da inversão da simetria do topo da banda de valência em nanomateriais, semicondutores ou mesmo orgânicos. Além da sua importância para o entendimento fundamental do processo físico, este resultado sugere que é possível o desenvolvimento de nanomateriais que, à temperatura ambiente, realizem a emissão simultânea de dois fótons de estados cuja recombinação usualmente seria apenas permitida por emissão de um fóton.

Para mais informações, acesse o link: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b02707

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