Les chercheurs ont découvert une transition plus rapide que prévu des excitons clairs aux excitons sombres dans l’anatase TiO2, fournissant ainsi de nouvelles informations sur la dynamique excitonique des semi-conducteurs qui pourraient éclairer la conception de futurs dispositifs basés sur la lumière et de matériaux énergétiques.
Une étude collaborative menée par le professeur Zhao Jin, le professeur associé Zheng Qijing de l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC) et le professeur Hrvoje Petek de l’Université de Pittsburgh a révélé les mécanismes à l’origine de la transition entre le clair et l’obscurité. excitons dans l’anatase TiO2. Leurs conclusions ont été publiées dans Actes de l’Académie nationale des sciences.
Comprendre les excitons
Les excitons, quasi-particules formées par la liaison d’électrons et de trous dans des systèmes de matière condensée via l’interaction coulombienne, présentent des propriétés distinctes en tant qu’excitons brillants et sombres. Alors que les excitons brillants se couplent directement à la lumière et jouent un rôle central dans l’absorption de la lumière, les excitons sombres, avec leur durée de vie relativement plus longue, revêtent une importance dans le traitement de l’information quantique, la condensation de Bose-Einstein et la récupération de l’énergie lumineuse.
Aperçu de la dynamique des excitons
Cette étude, avec l’aide de GW et de l’équation de Bethe-Salpeter en temps réel combinée à la dynamique moléculaire non adiabatique (GW + rtBSE-NAMD), a exploré la dynamique de formation sur la manière dont les excitons brillants excités optiquement jusqu’aux excitons sombres fortement liés à l’impulsion interdite. dans le TiO anatase2, un matériau semi-conducteur réputé pour ses capacités exceptionnelles d’absorption de la lumière et sa capacité à activer des excitons brillants sous excitation lumineuse. Dans le même temps, en raison de la nature indirecte de la bande interdite du matériau, les excitons brillants finissent par se détendre jusqu’aux bords de la bande, formant ainsi des excitons sombres.
La structure atomique, la zone de Brillouin, le spectre d’absorption et les distributions de fonctions d’onde des excitons directs et indirects dans une supercellule 2 × 2 × 1 d’anatase TiO2. Crédit : USTC
La transition entre les excitons clair et foncé a montré une nouvelle voie en considérant les effets à plusieurs corps au sein des excitons : l’interaction entre les électrons et les trous. Cette révélation a dévoilé une échelle de temps étendue pour le processus de transition, dans lequel les excitons brillants se transforment en excitons sombres en environ 100 femtosecondes, plusieurs fois plus rapidement qu’on ne le pensait auparavant. Fondamentalement, les effets à N corps au sein des excitons ont joué un rôle central au cours de cette transition.
Cette étude met en lumière la façon dont la dynamique excitonique des matériaux semi-conducteurs est affectée par les interactions à plusieurs corps, offrant des informations cruciales pour la conception de dispositifs basés sur la lumière et de matériaux énergétiques. Il illustre également les efforts de collaboration et les approches informatiques innovantes pour démêler la dynamique complexe des excitons, ouvrant la voie aux progrès de la science et de la technologie des matériaux.
