En la búsqueda de un transporte de energía y una generación de corriente eléctrica eficientes, es esencial comprender cómo viajan los portadores de energía a través de dispositivos optoelectrónicos y fotovoltaicos. Estos portadores no son electrones por sí solos. Cuando un electrón se excita, su promoción en energía deja tras de sí una ausencia de carga negativa o, en otras palabras, un “hueco” cuasi-positivo. El electrón y el hueco se enlazan, formando lo que se conoce como un excitón; el verdadero portador de energía potencial dentro del material. Para convertir esta energía en corriente eléctrica, es necesario separar de nuevo el electrón y el hueco. Conseguir una “separación de carga” eficiente es un proceso crítico a optimizar en los materiales emergentes.

Sin embargo, no todos los excitones logran generar corriente. En algunos casos, el electrón pierde energía al volver a llenar el hueco, produciendo un fotón, en un proceso llamado recombinación. Estos son conocidos como excitones brillantes, ya que la emisión de fotones da lugar a la fotoluminiscencia. Otros excitones, sin embargo, tienen una configuración específica que, según las reglas de la mecánica cuántica, es incompatible con la recombinación. Debido a que no emiten fotones fácilmente, se conocen como excitones oscuros. La ausencia de recombinación les proporciona más tiempo para desplazarse a través del dispositivo, aumentando sus posibilidades de llegar a un electrodo y generar corriente eléctrica mediante la separación de carga.

Aunque hace tiempo que se acepta que los excitones oscuros desempeñan un papel clave en la generación de corriente eléctrica, su falta de respuesta óptica los hace difíciles de estudiar. Los métodos experimentales se han centrado principalmente en los excitones brillantes, precisamente porque emiten fotoluminiscencia, la cual puede detectarse más fácilmente; o bien han requerido temperaturas criogénicas, muy alejadas de las condiciones del mundo real, para detectar cualquier indicio de excitones oscuros.

Ahora, unos científicos han desarrollado un método para rastrear excitones en materiales a temperatura ambiente, tanto espacial como espectralmente, distinguiendo además entre las contribuciones brillantes y oscuras.

El logro es obra de un equipo que incluye, entre otros, a Joseph Wragg, Luca Bolzonello, Niek van Hulst, Karuppasamy Pandian Soundarapandian, Riccardo Bertini y Frank Koppens, todos ellos del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Castelldefels, Barcelona. Niek van Hulst y Frank Koppens son además profesores contratados por la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA). En el estudio también han colaborado científicos del Laboratorio Europeo de Espectroscopía No Lineal, la Escuela de Ingeniería de Materia, Transporte y Energía de Arizona en Estados Unidos, y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Tsukuba, Japón.

La nueva técnica para rastrear excitones promete ser una potente herramienta con la que desentrañar el comportamiento de los diferentes estados de los excitones y también abre nuevas vías para la investigación futura de materiales, incluyendo la próxima generación de dispositivos electrónicos y fotovoltaicos.

En su labor de investigación y desarrollo, el equipo recurrió a la espectroscopía de acción, un método que rastrea tanto la fotoluminiscencia generada como las señales de fotocorriente, asociadas a los excitones brillantes y oscuros, respectivamente. Como caso de estudio, investigaron el WSe₂, un semiconductor bidimensional ampliamente utilizado en ciencia de materiales. Al comparar ambas respuestas, los investigadores pudieron inferir el papel de cada tipo de excitación en el material. Además, examinaron cómo el número de capas del material afecta a la fotoluminiscencia y a la fotocorriente, explorando no solo la interacción entre excitones brillantes y oscuros en cada espesor, sino también la estabilidad de cada estado excitado.

«Este enfoque nos permite construir una imagen completa de la creación, vida y extinción de los excitones en este tipo de materiales», explica Joseph Wragg, primer firmante del estudio, quien recuerda haber observado transporte a distancias de varios micrómetros. Y añade: “Los excitones oscuros nunca se habían estudiado de esta manera antes, y nuestra capacidad de obtener este tipo de datos a temperatura ambiente es realmente prometedora para futuros trabajos”.

En conjunto, esta novedosa técnica ofrece una ventana de observación hacia los mecanismos de transferencia de energía en materiales que son críticos para tecnologías optoelectrónicas y fotovoltaicas. De hecho, los conocimientos que este trabajo ha brindado podrían desempeñar un papel clave a la hora de desbloquear su máximo potencial.

El estudio se titula “Dual Action Spectroscopy Exposes the Bright and Dark Excitons of Room-Temperature WSe2. Y se ha publicado en la revista académica Nano Letters.

Fuente: noticiasdelaciencia.com