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Os perovskitas de iodetos metálicos surgiram recentemente como um material alternativo excepcionalmente promissor para aplicações optoeletrônicas da próxima geração. Especialmente, as estruturas de perovskita do tamanho de nanoescala possuem propriedades fotofísicas notáveis, como intervalo de banda direto, sintonia de cores, seção transversal de absorção grande e largura de linha de fotoluminescência estreita. Juntamente com seu baixo custo, viabilidade para síntese de expansão, processabilidade da solução e compatibilidade com componentes de dispositivos optoeletrônicos existentes, essas propriedades tornam os nanocristais de perovskita de iodetos metálicos uma alternativa viável a outros materiais semicondutores para uma variedade de aplicações de emissão de luz, incluindo monitores, iluminação, lasers, bem como dispositivos de memória.
No entanto, enquanto os nanocristais de perovskita mostram um rendimento de fotoluminescência muito alto, os dispositivos de eletroluminescência preparados a partir desses nanocristais têm sofrido por muito tempo com baixa eficiência. Os esforços recentes concentraram-se na engenharia de dispositivos para superar esse problema, mas até o momento não houve estudos sistemáticos sobre a origem física em nanoescala das fracas eficiências. Aqui, a equipe do prof. Martin Vacha, da Tokyo Tech, usou a detecção microscópica e a espectroscopia de partículas para estudar o processo de eletroluminescência no nível de nanocristais individuais.
A equipe usou nanocristais de perovskita CsPbBr3 passivados à superfície com ligantes de ácido oleico, dispersos em filme fino de um polímero condutor que foi usado como camada de emissão em um dispositivo emissor de luz (LED). O dispositivo foi construído para uso em cima de um microscópio de fluorescência invertida, o que permitiu a comparação de eletroluminescência e fotoluminescência dos mesmos nanocristais. Os nanocristais CsPbBr3 formam agregados dentro da camada de emissão, com cada agregado contendo dezenas a centenas de nanocristais individuais. Os pesquisadores usaram uma técnica microscópica avançada de imagem de super-resolução para descobrir que, na fotoluminescência, todos os nanocristais no agregado emitem luz, na eletroluminescência apenas um pequeno número (tipicamente 3-7) dos nanocristais está ativamente emitindo.

A eletroluminescência de apenas um número limitado de nanocristais é resultado da distribuição de tamanho e do consequente cenário de energia no agregado.

As cargas elétricas que são injetadas no dispositivo durante a operação são capturadas em nanocristais individuais e canalizadas eficientemente em direção aos maiores nanocristais. Os maiores nanocristais do agregado têm o menor gap de energia, e suas bandas de valência e condução funcionam como armadilhas para cargas capturadas originalmente nos nanocristais vizinhos. O ambiente condutor presente entre os nanocristais permite a migração eficiente das cargas para essas armadilhas de onde a eletroluminescência ocorre. As cargas elétricas que são injetadas no dispositivo durante a operação são capturadas em nanocristais individuais e canalizadas eficientemente em direção aos maiores nanocristais. Os maiores nanocristais do agregado têm o menor gap de energia, e suas bandas de valência e condução funcionam como armadilhas para cargas capturadas originalmente nos nanocristais vizinhos. O ambiente condutor presente entre os nanocristais permite a migração eficiente das cargas para essas armadilhas de onde a eletroluminescência ocorre. As cargas elétricas que são injetadas no dispositivo durante a operação são capturadas em nanocristais individuais e canalizadas eficientemente em direção aos maiores nanocristais. Os maiores nanocristais do agregado têm o menor gap de energia, e suas bandas de valência e condução funcionam como armadilhas para cargas capturadas originalmente nos nanocristais vizinhos. O ambiente condutor presente entre os nanocristais permite a migração eficiente das cargas para essas armadilhas de onde a eletroluminescência ocorre.
Outra descoberta importante é que a intensidade da eletroluminescência dos nanocristais que emitem ativamente não é constante, mas mostra fortes flutuações, chamadas de piscadas. Esse piscar não está presente na fotoluminescência dos mesmos agregados. Os pesquisadores descobriram anteriormente que o piscar pode ser causado tanto pela matriz condutora quanto pelo campo elétrico aplicado externamente (ACS Nano13, 2019, 624). No dispositivo LED, o fenômeno de piscar é um fator crucial que contribui para a menor eficiência na eletroluminescência. Os pesquisadores concluíram que a eficiência da eletroluminescência é apenas cerca de um terço da eficiência da fotoluminescência devido à presença do fenômeno de piscar.
O presente trabalho aponta um caminho para a caracterização eficiente em nanoescala da eletroluminescência de materiais halogenados de perovskita para aplicações de emissão de luz. Uma das chaves para uma maior eficiência será a engenharia de superfície dos nanocristais, que suprimirá as flutuações de intensidade.