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IFGW lidera equipe que determinou o bandgap eletrônico do h-BN


Uma linha de pesquisa em desenvolvimento no IFGW, financiada pelo projeto Jovem Pesquisador FAPESP 2014/23399-9, recentemente determinou o bandgap eletrônico de uma monocamada de nitreto de boro hexagonal (h-BN), levando à determinação da energia de ligação de éxciton. Além disso, defeitos pontuais nesse material foram estudados. O nitreto de boro hexagonal é um material semicondutor bidimensional que tem bandgap direto quando em uma monocamada e tem muitas aplicações em potencial, incluindo fontes eficientes de luz ultravioleta e camadas em heteroestruturas de van der Waals.

Esse artigo, que acaba de ser publicado na revista IOP 2D Materials [1], IF = 7.1, foi liderado pela equipe do Prof. Luiz Fernando Zagonel e é fruto de uma colaboração com grupos na Inglaterra e na França. Os principais resultados do trabalho foram adquiridos no IFGW, dentro do 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. Vale ressaltar que o principal equipamento utilizado nesta pesquisa, um microscópio de varredura de tunelamento, é um EMU FAPESP, processo 2016/01918-0.

Pela alta energia de ligação de éxcitons, o h-BN foi considerado por muito tempo como um semicondutor de gap direto. Recentemente entretanto (veja a discussão no artigo publicado), foi determinado que ele apenas tem gap direto quando em uma monocamada. Além disso, o h-BN tem um gap eletrônico até então desconhecido por ser também muito alto. Em nosso trabalho, determinamos o valor do gap eletrônico, de 6.8 eV, e, utilizando o valor da emissão excitônica, determinamos que a energia de ligação de éxciton é de 0.7 eV, o que confirma a origem de sua alta eficiência de emissão excitônica em temperatura ambiente.

O h-BN tem, além da emissão luminosa devido à recombinação excitônica, emissão de luz devido a vários tipos de defeitos. Isso ocorre pois o grande gap eletrônico permite acomodar estados de defeitos com emissão no visível. Utilizando nosso microscópio, foi possível registrar imagens de defeitos pontuais, determinar o nível de energia de um defeito e observar a luz emitida por esses defeitos, que provavelmente são relativos a presença de átomos de carbono na rede cristalina do nitreto de boro.

Os principais resultados experimentais apresentados neste trabalho foram obtidos através de um microscópio eletrônico de tunelamento (STM), utilizando várias técnicas. Foram adquiridas imagens no modo corrente constante para avaliar aspectos gerais da morfologia da superfície, sendo observadas regiões distintas, com e sem a presença de defeitos pontuais. Em ambos os casos foram realizadas medidas da densidade de estados eletrônicos local, através da espectroscopia de tunelamento de elétrons (STS). Os resultados obtidos permitiram a determinação da magnitude do bandgap eletrônico em monocamadas de nitreto de boro, uma questão até então em aberto na literatura. Nestas medidas também observamos a presença de estados eletrônicos intragap, associados aos defeitos pontuais detectados nas imagens de STM. Sua posição com relação ao nível de Fermi sugere se tratar de um defeito substitucional de carbono, onde este átomo ocupa a posição de um nitrogênio na estrutura.

Adicionalmente, o sistema de detecção instalado em nosso microscópio permitiu o estudo da emissão de luz associada a estes defeitos pontuais. Foram realizadas medidas de fotoluminescência (PL) e catodoluminescência (CL), onde foi observada uma distinta linha de emissão em 2.1 eV, também associada a este tipo de defeito associado a átomos de carbono. Vale ressaltar que esta foi a primeira caracterização por CL em monocamadas de nitreto de boro reportada na literatura. A presença de outras emissões em energias maiores indica a coexistência de mais de um tipo de defeito de carbono no material.

O STM do nosso laboratório é operado em ambiente de Ultra alto vácuo (UHV), em temperaturas criogênicas (até 12 K), contando com um inovador sistema de detecção de luz desenvolvido e implementado por nossa equipe e que está protegido por uma patente (BR102020015402-8). Os resultados obtidos demonstram a versatilidade do nosso setup, que se mostra uma poderosa ferramenta para a caracterização de materiais bidimensionais e superfícies. A continuidade das pesquisas se dará com foco em materiais de interesse para o desenvolvimento de aplicações em dispositivos.

Referência:

[1] Ricardo Javier Peña Román et al 2021 2D Mater. 8 044001.  https://doi.org/10.1088/2053-1583/ac0d9c

Obtenha o artigo neste link. 

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