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Pesquisa do IFGW em colaboração com o LNLS/CNPEM mostra propriedades excitônicas de um semicondutor 2D estudadas em escala nanométrica

Foto aluno

Uma linha de pesquisa em desenvolvimento no IFGW, financiada pelo projeto Jovem Pesquisador FAPESP 2014/23399-9, recentemente demonstrou a emissão de luz pela injeção de elétrons de tunelamento em monocamadas de disseleneto de tungstênio, WSe2, e explicou inconsistências na literatura sobre a extinção da luminescência para o material quando suportado por um metal. Além disso, obtiveram-se informações sobre as propriedades excitônicas do semiconductor na nanoescala. Esse material faz parte de uma nova classe de semicondutores bidimensionais de gap direto e tem atraído muita atenção por ser flexível e ter grande energia de ligação de éxciton, podendo ser aplicado em diodos emissores de luz ou células solares.


 O primeiro artigo resultante desse projeto, que é liderado pelo Professor Luiz Fernando Zagonel, acaba de ser publicado na revista RSC Nanoscale [1] e é fruto de uma colaboração do grupo com a Dra. Ingrid David Barcelos, pesquisadora no Laboratório Nacional de Luz Síncroton(LNLS)/Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais(CNPEM). Todos os dados experimentais foram adquiridos no IFGW, majoritariamente no Laboratório de Pesquisas Fotovoltaicas do Departamento de Física Aplicada pelo estudante de doutorado Ricardo Javier Peña Román, bolsista de doutorado FAPESP, processo 18/08543-7, como parte do seu projeto de tese. As demais  medidas utilizaram a infraestrutura do Laboratório Multiusuários (LAMULT) do IFGW. A pesquisa, portanto, foi feita totalmente em Campinas/SP. Vale ressaltar que o principal equipamento utilizado nesta pesquisa, um microscópio de varredura de tunelamento, é um EMU FAPESP, processo 2016/01918-0.

Equipamento

Seguindo o exemplo do grafeno, outros materiais têm sido estudados quando na espessura de uma monocamada e se tem observado que alguns semicondutores quando afinados até esse limite apresentam propriedades diferentes que são interessantes para aplicações. Em particular, dicalcogenetos de metais de transição (TMDs), de fórmula MX2 onde M é um metal de transição (tipicamente Mo ou W) e X é um calcógeno (tipicamente Se, Te ou S), mostraram ter um band gap direto quando em uma monocamada (três átomos de espessura), ao contrário do mesmo material quando em maiores volumes. Como a energia de ligação de éxcitons, partículas virtuais formadas entre elétrons e buracos, é alta, esses materiais são bons emissores de luz mesmo a temperatura ambiente, reforçando seu interesse em aplicações. Além disso, algumas de suas características podem ser manipuladas ou controladas por defeitos estruturais, especificamente defeitos pontuais, que podem, por exemplo, melhorar a eficiência quântica de emissão além de atuarem como emissores de fótons únicos. Correlacionar defeitos atômicos com propriedades óticas em TMDs assim como também compreender a dinâmica de éxcitons em materiais atomicamente finos traz a necessidade de estudar esses materiais na escala relevante, ou seja, na escala atômica ou nanométrica.

Imagem artigo

 No trabalho publicado, elétrons trazidos por tunelamento dentro de um microscópio de varredura de tunelamento (STM) foram utilizamos para formar éxcitons com buracos do material e gerar emissão de luz. Trata-se do segundo trabalho na literatura a obter emissão de luz devido a éxcitons formados dessa forma em um TMD e o primeiro para o WSe2. Através dessa técnica foi possível demonstrar o controle da emissão devida a éxcitons neutros ou carregados, a estabilidade em energia apesar do forte campo elétrico devido a ponta do STM e a possibilidade de uso de um suporte metálico. O estudo do TMD via luminescência em STM permite estudar as propriedades óticas do material na escala nanométrica ou sub-nanométrica, sem o problema da resolução espacial imposto pela difração em técnicas de espectroscopia óptica convencional como fotoluminescência por exemplo. Ainda, a técnica permite correlacionar propriedades óticas com características morfológicas e eletrônicas do material obtidas a partir de imagens de STM e espectroscopia de tunelamento (STS). Outro resultado importante do trabalho foi demonstrar a presença de uma camada de água que é aprisionada entre o TMD e o substrato metálico no momento da transferência mecânica da monocamada. Essa observação resolve uma inconsistência na literatura que em alguns casos reporta extinção total da emissão de luz quando um TMD está colocado em um suporte metálico em alguns trabalhos ao mesmo tempo que outros falam em emissão normal e até mesmo em exaltação da emissão nestes substratos. A demonstração de emissão excitônica gerada por corrente de tunelamento, o controle da emissão de éxcitons carregados na nanoescala e o efeito desacoplador da água foram destacados pelos 3 revisores do trabalho como pontos chaves que vão interessar uma ampla audiência.

Equipamento Laboratório

Trata-se também do primeiro trabalho utilizando a técnica de luminescência induzida pela corrente túnel em um microscópio de varredura de tunelamento, recentemente instalada no grupo. O equipamento é capaz de operar em ambiente UHV e em temperaturas criogênicas (12 K), sendo um dos poucos no país com tais possibilidades e o único com sistema eficiente de detecção de luz instalado (até onde sabemos). Os resultados obtidos abrem várias possibilidades de pesquisa em luminescência induzida pela corrente de tunelamento em um microscópio de varredura de tunelamento. A equipe continuará as pesquisas na área, com particular atenção a materiais com grande potencial para aplicações em dispositivos.

Para ler o trabalho, siga o link https://doi.org/10.1039/D0NR03400B.

[1] R. J. P. Román, et al. Nanoscale, 2020, Advance Article, doi: 10.1039/D0NR03400B.

 

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