Scoperte inaspettate proprietà elettroniche e ottiche nascoste nel biossido di Titanio / Unexpected Discoveries of electronic and optical properties hidden in Titanium Dioxide.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Joseph Cotellessa

Grazie a uno studio internazionale, appena pubblicato su Nature Communications e al quale ha preso parte una ricercatrice dell’Università Campus Bio-Medico di Roma, sono state svelate nuove proprietà dell’anatase, particolare cristallo del biossido di Titanio molto economico e facile da produrre. Questo materiale si candida così a diventare uno dei semiconduttori del futuro nel settore dell’‘eccitonica’, l’elettronica di nuova generazione.

Una nuova luce – è il caso di dirlo – è stata fatta sulle incredibili potenzialità dell’anatase, un particolare tipo di biossido di Titanio (TiO2) che potrebbe cambiare radicalmente il modo d’intendere le tecnologie che richiedono accumulo e utilizzo di energia ottenuta attraverso la luce.
Il biossido di Titanio è un materiale coinvolto in numerose applicazioni pratiche, tra cui il fotovoltaico e la fotocatalisi, usata nei processi di purificazione di aria e acqua (è il meccanismo mediante il quale, ad esempio, le superfici a vetri si autopuliscono quando esposte alla luce). Celava ancora, tuttavia, molti segreti sulle sue proprietà elettroniche e ottiche, nonostante decenni di studi sui meccanismi che inducono la luce assorbita a convertirsi in cariche elettriche.
 
A svelarne finalmente i contorni è uno studio internazionale, coordinato dall’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) e al quale ha lavorato anche Letizia Chiodo, ricercatrice di Fisica della Materia presso l’Università Campus Bio-Medico di Roma. La ricerca, svolta in collaborazione con ricercatori del Max Planck Institute di Amburgo e dell’Università di Tor Vergata, è stata appena pubblicata sulla rivista scientifica Nature Communications.
 
Per realizzare l’analisi sul biossido di Titanio, gli scienziati hanno utilizzato le più avanzate tecniche d’indagine sperimentale e teorico-computazionale. In questo modo, hanno scoperto caratteristiche che rendono l’anatase di TiO2 unico e diverso rispetto a molti semiconduttori tradizionali, quali il silicio, il materiale con cui viene attualmente prodotta, ad esempio, gran parte dei chip per i dispositivi tecnologici.
 
Quando la luce colpisce l’anatase in esso non si creano solo singole cariche elettriche ‘libere’ 

– gli elettroni (negative) e le cosiddette ‘buche’ (le corrispondenti cariche positive). Grazie alla struttura del cristallo, si formano anche delle ‘coppie’ stabili di cariche opposte, chiamate eccitoni. Essi riescono a trasportare contemporaneamente energia e cariche elettriche, ponendosi come base per il settore della cosiddetta ‘eccitonica’, elettronica di nuova generazione.

Ma la vera novità svelata dalla ricerca sta nel comportamento degli eccitoni presenti nell’anatase di TiO2: essi, infatti, si comportano incredibilmente in modo bidimensionale nello spazio tridimensionale del reticolo che forma il cristallo, un po’ come i singoli strati di una torta millefoglie. Ciò li rende estremamente stabili, al punto che né le variazioni di temperatura, né la riduzione del materiale a dimensioni nanometriche (al di sotto di quelle usate nell’elettronica di uso comune) e neppure gli eventuali difetti presenti sui cristalli intaccano, almeno per un certo tempo, la stabilità del loro ‘legame di coppia’.

E, di conseguenza, non scalfiscono la loro efficienza nell’assorbimento e nella capacità di conservare energia. Una sorta di ‘immunità’ che non appartiene, invece, ai semiconduttori di uso comune nelle tecnologie attuali, in cui l’energia luminosa assorbita si dissipa velocemente, disperdendosi dal reticolo del cristallo sotto forma di calore.
 
Inoltre, le proprietà dell'eccitone appena scoperto nel cristallo di TiO2 sono molto sensibili a stimoli interni ed esterni al materiale, come temperatura, pressione o eccesso di elettroni. Tutto ciò rende l’eccitone del TiO2 un promettente candidato per la realizzazione di sensori a lettura ottica insieme potenti, accurati ed economici.
 
“Il comportamento riscontrato nell’eccitone dell’anatase – spiega la ricercatrice Letizia Chiodo, dell’Università Campus Bio-Medico di Roma – potrebbe rendere possibili nel prossimo futuro nuove applicazioni tecnologiche, basate sul particolare accumulo di energia della luce che si crea attraverso la formazione di questa ‘coppia’. Anzi, si potrebbero usare le coppie che formano tali eccitoni facendole muovere nel materiale per creare veri e propri circuiti ‘eccitonici’, simili a quelli elettronici – in cui si muovono gli elettroni nell’elettronica convenzionale –, ma in grado di spingersi ben oltre le attuali capacità di accumulo dell’energia”.

La portata della scoperta è tanto più ampia, in prospettiva, in quanto l’anatase di biossido di Titanio è un materiale molto economico e facile da fabbricare. “Per questo – conclude Chiodo – il nostro studio schiude interessanti possibilità per ottimizzare le attuali applicazioni che fanno uso del biossido di Titanio, immaginandone di future”.

ENGLISH

Thanks to an international study, just published in Nature Communications, and which was attended by a researcher at the University Campus Bio-Medico of Rome, were unveiled new properties dell'anatase, particularly crystal titanium dioxide very cheap and easy to produce . This material is a candidate as well to become one of semiconductors of the future in dell''eccitonica 'sector, the next-generation electronics.

A new light - it is appropriate to say - has been made on dell'anatase incredible potential, a particular titanium (TiO2) type dioxide that could radically change the way of understanding the technologies that require accumulation and use of energy obtained through the light.

The Titanium dioxide is a material involved in numerous practical applications, including photovoltaics and photocatalysis, used in air and water purification processes (this is the mechanism by which, for example, the surfaces of glass are self-cleaning when exposed to light). Lurked still, however, many secrets about its optical and electronic properties, despite decades of studies on the mechanisms that induce the absorbed light to be converted into electrical charges.

 

To finally reveal the contours is an international study, coordinated by the École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) and to which he also worked Letizia Chiodo, a researcher of Condensed Matter Physics at the University Campus Bio-Medico of Rome. The research, conducted in collaboration with researchers from the Max Planck Institute in Hamburg and the University of Tor Vergata, has just been published in the scientific journal Nature Communications.

 

To carry out the analysis on the titanium dioxide, the scientists used the most advanced in experimental and theoretical-computational investigation techniques. In this way, have discovered the characteristics that make the anatase TiO2 unique and different than many traditional semiconductors, such as silicon, the material with which it is currently produced, for example, a large part of the chip for technological devices.

 

When light strikes the anatase in it not only create individual electrical 'free charges'

- electrons (negative) and so-called 'holes' (the corresponding positive charges). Thanks to the structure of the crystal, are also formed of 'pairs' stable of opposite charges, called excitons. They are able to simultaneously carry energy and electric charges, acting as a base for the sector of so-called 'exciton', next-generation electronics.

But the real novelty revealed by research is in the behavior of excitons present nell'anatase TiO2: in fact, they are incredibly behave in a two-dimensional manner in three-dimensional space of the lattice which forms the crystal, a bit 'as the individual layers of a mille-feuille cake . This makes them extremely stable, to the point that neither temperature changes nor the reduction of the nanometer-sized material (below those used in the electronics of common use) nor any defects on the crystals affect, at least for a certain time, the stability of their 'pair bonding'.

And, consequently, they do not scratch their absorption efficiency and the ability to conserve energy. A sort of 'immunity' that does not belong, however, to semiconductors commonly used in current technologies, in which the light energy absorbed is dissipated quickly, dispersing from the crystal lattice in the form of heat.

 

In addition, the exciton properties just discovered in the TiO2 crystal are very sensitive to internal and external stimuli to the material, such as temperature, pressure or excess of electrons. All this makes the exciton TiO2 a promising candidate for the realization of machine-readable sensors with powerful, accurate and economical.

 

"The behavior found nell'eccitone dell'anatase - explains Letizia Chiodo researcher, University Campus Bio-Medico of Rome - could make it possible in the near future, new technology applications, based on the particular accumulation of light energy that is created through the formation of this 'couple'. Indeed, one could use the pairs forming such excitons making them move in the material to create real 'exciton' circuits, similar to electronic ones - in which they move the conventional electronics electrons - but able to go well beyond the current energy storage capabilities. "

The significance of this finding is much wider, in perspective, as the anatase titanium dioxide is a very inexpensive material that is easy to fabricate. "For this - he concludes Chiodo - our study opens up interesting possibilities for optimizing existing applications that make use of titanium dioxide, imagining the future".

Da:

http://www.lescienze.it/lanci/2017/04/13/news/universitu_campus_bio-medico_di_roma_scoperte_inaspettate_proprieta_elettroniche_e_ottiche_nascoste_nel_biossido_di_titanio-3493616/?ref=nl-Le-Scienze_14-04-2017