Caracterización de las propiedades ópticas de puntos cuánticos: perspectiva desde la química computacional

MARÍA B. OVIEDO; ANA M BARUZZI; RODRIGO A IGLESIAS

San Luis

Congreso; VIII ENCUENTRO DE FÍSICA Y QUÍMICA DE SUPERFICIES; 2018

VIII ENCUENTRO DE FÍSICA Y QUÍMICA DE SUPERFICIES

Un campo emergente dentro de la nanociencia de semiconductores es la química de superficies de puntos cuánticos (QDs ? Quantum Dots)1. La modulación de las propiedades ópticas de una suspensión de QDs dentro de un amplio rango espectral se consigue a partir de la manipulación del tamaño y el control cuidadoso de la química en la superficie del mismo. Debido a estas características, se han encontrado muchas aplicaciones para los QDs, en particular los basados en CdSe, que incluyen en celdas solares, LEDs, fotocatalizadores y biosensores fotovoltaicos. Todas estas áreas de aplicación involucran la transferencia de carga entre las nanoestructuras y la fase adjunta a la misma. Por lo tanto, una comprensión detallada de la estructura electrónica es esencial para lograr dispositivos altamente eficientes. La estructura electrónica puede ser caracterizada a partir de las propiedades ópticas de las nanopartículas semiconductoras como por ejemplo a partir del espectro de absorción óptico. La variación de la superficie de las nanopartículas semiconductoras produce un cambio en la energía del band gap y gap óptico. En particular, se ha observado el corrimiento de las bandas de excitación de los QDs hacia energías mayores cuando las nanopartículas disminuyen su tamaño. El origen de este corrimiento ha sido atribuido a diferentes mecanismos, incluyendo2: (1) el efecto Burstein-Moss, que se origina a partir del llenado de electrones libres en la banda de conducción; (2) aumento de la energía excitónica debido al exceso de electrones atrapados en la superficie; (3) apantallamiento Coulómbico por portadores de cargas libres fotodegenerados; y (4) una disminución en la fuerza del oscilador de las transiciones excitónicas debido a electrones y huecos atrapados. El corrimiento de las bandas de excitación electrónica y por consiguiente la variación del gap óptico presentan un gran impacto en los mecanismos de transferencia de carga que pueden ocurrir por ejemplo en un sensor fotoelectroquímico. Si bien existen trabajos experimentales3 y teóricos4 sobre el estudio de los corrimientos de las bandas electrónicas para diferentes tamaños de QDs, a nuestro entender no hay un estudio sistemático que explique la naturaleza del corrimiento de estas bandas. En este trabajo se estudian las respuestas ópticas lineales y no lineales de QDs que se centran en sus propiedades electrónicas. A partir de simulaciones computacionales de dinámica electrónica basados en la teoría del funcional de la densidad electrónica dependiente del tiempo (TD-DFT), se analiza el corrimiento hipocrómico de las bandas de absorción fotoinducidas en QDs de CdSe, en particular, se muestra la disminución de la absorción de la excitación electrónica de menor energía cuando el sistema presenta un exceso de carga. Al mismo tiempo, el exceso de carga en la nanoestructura genera nuevos estados en el band gap originando nuevas transiciones electrónicas. Por último, se analiza el efecto de este exceso de carga en el mecanismo de transferencia en la interfaz del QD y H2O2 para su potencial aplicación como sensor fotovoltaico.