Bloques de construcción del futuro para la energía fotovoltaica
Un equipo de investigadores observa por primera vez la formación de excitones "oscuros" entre capas
Un equipo internacional de investigación dirigido por la Universidad de Gotinga ha observado por primera vez la formación de un fenómeno físico que interviene en la conversión de la luz solar en energía eléctrica en materiales 2D. Los científicos consiguieron hacer visibles las cuasipartículas -conocidas como excitones oscuros de la capa de Moiré- y explicar su formación mediante la mecánica cuántica. Los investigadores muestran cómo una técnica experimental recién desarrollada en Gotinga, la microscopía de momento de fotoemisión de femtosegundos, proporciona profundos conocimientos a nivel microscópico, que serán relevantes para el desarrollo de la tecnología futura. Los resultados se han publicado en Nature.
Representación artística que muestra las capas retorcidas de diselenuro de tungsteno (arriba) y disulfuro de molibdeno (abajo). Tras la excitación con luz, se forma una multitud de excitones ópticamente "oscuros" entre las capas. Estos excitones "oscuros" son pares de electrones-huecos unidos por la interacción de Coulomb (esferas claras y oscuras conectadas por líneas de campo), que no pueden observarse directamente con luz visible. Una de las cuasipartículas más interesantes es el "excitón inter-capa de moiré" -mostrado en el centro de la imagen- en el que el agujero se encuentra en una capa y el electrón en la otra. La formación de estos excitones en la escala de tiempo de los femtosegundos y la influencia del potencial de Moiré (ilustrado por los picos y las depresiones en las capas) se investigaron en el presente estudio utilizando microscopía de momento de fotoemisión de femtosegundos y teoría mecánica cuántica.
Brad Baxley, Part to Whole, LLC
Las estructuras atómicamente finas hechas de materiales semiconductores bidimensionales son candidatos prometedores para futuros componentes en electrónica, optoelectrónica y fotovoltaica. Curiosamente, las propiedades de estos semiconductores pueden controlarse de una forma inusual: como si fueran ladrillos de Lego, las capas atómicamente finas pueden apilarse unas sobre otras. Sin embargo, hay otro truco importante: mientras que los ladrillos de Lego sólo pueden apilarse unos encima de otros -ya sea directamente o torcidos en un ángulo de 90 grados-, el ángulo de rotación en la estructura de los semiconductores puede variar. Es precisamente este ángulo de rotación el que resulta interesante para la producción de nuevos tipos de células solares. Sin embargo, aunque el cambio de este ángulo puede revelar avances para nuevas tecnologías, también conlleva retos experimentales. De hecho, los enfoques experimentales típicos sólo tienen acceso indirecto a los excitones de la capa intermedia de moiré, por lo que estos excitones se denominan comúnmente excitones "oscuros". "Con la ayuda de la microscopía de momento de fotoemisión de femtosegundos, hemos conseguido hacer visibles estos excitones oscuros", explica el Dr. Marcel Reutzel, jefe del grupo de investigación junior de la Facultad de Física de la Universidad de Göttingen. "Esto nos permite medir cómo se forman los excitones en una escala de tiempo de una millonésima de milisegundo. Podemos describir la dinámica de la formación de estos excitones utilizando la teoría mecánica cuántica desarrollada por el grupo de investigación del profesor Ermin Malic en Marburgo."
"Estos resultados no sólo nos dan una visión fundamental de la formación de excitones oscuros entre capas de Moiré, sino que también abren una perspectiva completamente nueva para que los científicos puedan estudiar las propiedades optoelectrónicas de materiales nuevos y fascinantes", afirma el profesor Stefan Mathias, director del estudio en la Facultad de Física de la Universidad de Gotinga. "Este experimento es pionero porque, por primera vez, hemos detectado la firma del potencial de Moiré impresa en el excitón, es decir, el impacto de las propiedades combinadas de las dos capas semiconductoras retorcidas. En el futuro, estudiaremos más a fondo este efecto específico para conocer mejor las propiedades de los materiales resultantes."
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