Engrandecimento da fluorescência induzida por laser em nanocristais de perovskita CsPbBr3: um estudo sobre ativação fototérmica

Abstract

Nanocristais de perovskita (NCPs) CsPbBr3 são um material semicondutor com um tamanho entre 4 − 50 𝑛𝑚. Por isso, seus elétrons se encontram confinados nas três dimensões espaciais, tornando seus níveis de energia discretos e conferindo ao material propriedades ópticas e eletrônicas únicas. Graças a estas propriedades singulares, os NCPs possuem um grande potencial para serem aplicados em dispositivos optoeletrônicos, como lasers, células fotovoltaicas e LEDs. Porém, por se tratar de um material relativamente recente, mais estudos de ciência de base são necessários para compreender melhor suas características e então, aplicá-los. Já é de conhecimento da comunidade científica que a intensidade da fluorescência desse material aumenta quando os NCPs são excitados por laser. Algumas hipóteses já foram levantadas para explicar esse fenômeno e incluem origem fototérmica e passivação dos defeitos da superfície. Contudo, devido à natureza complexa dos portadores de carga neste nanomaterial, novos estudos são necessários para melhor compreender esse fenômeno. Neste contexto, esta dissertação tem como objetivo geral avançar no conhecimento científico acerca da natureza do engrandecimento da fluorescência induzida por laser em NCPs de CsPbBr3. Trata-se de um trabalho experimental e teórico. Primeiramente, são apresentadas algumas caracterizações básicas, optoeletrônicas e estruturais, do nanomaterial estudado. A eficiência de conversão fototérmica do material foi determinada experimentalmente em (18, 2 ± 0, 4) %, sugerindo que 100 % dos fótons absorvidos são convertidos em luz ou em calor. Em seguida, com base nessa caracterização fototérmica, um algoritmo em Python foi criado para simular a injeção e difusão de calor em uma solução de NCPs de CsPbBr3 dispersos em tolueno. Os resultados experimentais foram replicados na simulação computacional, indicando que o algoritmo está bem calibrado. Em uma tentativa de relacionar o aumento da temperatura com o aumento da fluorescência, um modelo teórico foi proposto para descrever como os elétrons populam e depopulam estados excitados nomeados de estado de fotoativação e estado de armadilha rasa em função da temperatura. Este modelo se mostrou promissor, já que os resultados da sua simulação condizem com os resultados experimentais do aumento da fluorescência. Aqui, foi observado uma redução da contribuição do estado de armadilha rasa na fluorescência, enquanto a contribuição do estado de fotoativação aumentou substancialmente. Por fim, experimentos em filme fino de NCPs de CsPbBr3 excitado por laser pulsado foram realizados para avaliar como a fluorescência responde ao laser pulsado. Nesses experimentos, a fluorescência integrada em função do fluxo médio de fótons, após a excitação por laser pulsado, se aproxima de uma equação linear, mostrando a diminuição de estados de armadilha nos NCPs. Também, nessa etapa foi realizada uma microscopia de fluorescência hiperespectral, onde foi constatado um aumento da fluorescência além da área do feixe do laser, reforçando a contribuição térmica para o aumento da fluorescência. Todos os resultados obtidos corroboram a ideia de que o aumento da fluorescência induzida por laser em NCPs de CsPbBr3 é causado por fenômenos fototérmicos. Também, os resultados indicam uma diminuição na contribuição de estados de armadilha na fluorescência.