Nagamine, Gabriel, 1992, Padilha Junior, Lázaro Aurélio, 1980, Schiavon, Marco Antônio, Miranda, Marcio Heraclyto Gonçalves de, Assis, Pierre-Louis de, Siqueira, Jonathas de Paula, Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Física Gleb Wataghin, Programa de Pós-Graduação em Física, and UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Orientador: Lázaro Aurélio Padilha Junior Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin Resumo: Nanocristais (NCs) semicondutores coloidais surgiram como um sistema promissor tanto para estudos fundamentais quanto para aplicações em optoeletrônica. Esse sistema traz a possibilidade de criar um material com a energia do bandgap controlável via tamanho e sintetizado através de rotas químicas. Essas características são particularmente interessantes para serem aplicadas em meios de ganho de lasers. De fato, NCs coloidais abrem a possibilidade da criação de um laser semicondutor cujo meio de ganho é fabricado através de métodos químicos, o que traz flexibilidade na arquitetura de novos dispositivos. Baseado nisso, nessa tese, investigamos os aspectos fundamentais subjacentes à aplicação de NCs como meio de ganho. Especificamente, focamos nossos estudos em como o confinamento quântico afeta a performance de NCs coloidais na amplificação de luz. Para fazer isso, primeiramente examinamos uma importante classe de materiais, os pontos quânticos de perovskita (PQDs) haleto metálicas, de composição CsPbBr3. Através de um estudo sistemático das interações multi-excitonicas, mostramos que essas estruturas aumentam as interações Coulombianas entre os portadores. Além disso, mostramos uma forte evidência de que essa característica resulta em redução de efeitos de reabsorção, impulsionando a performance de ganho óptico em relação a outros NCs tradicionais. Após essa análise, realizamos um estudo sobre uma técnica amplamente utilizada para caracterização de ganho óptico em NCs, a absorção transiente (TA). Mostramos que parte da literatura na área pode estar tendo interpretações errôneas, ao desprezar efeitos de atenuação de feixe nesse experimento. Baseado nisso, propomos uma modificação na técnica que é a utilização de uma excitação por 2 fótons. Fazendo isso, os efeitos de atenuação do feixe são efetivamente eliminados. Finalmente, estudamos também uma nova classe de NC heteroestruturado, chamada de poço quântico esférico (SQW), com a composição de CdSe/CdS/CdSe (núcleo/poço/casca). Nós mostramos que esse tipo de estrutura pode ser desenvolvido de maneira a unir longos tempos de recombinação Auger (>1\ ns), eficiência quântica de emissão próxima a 100%, alta energia de ligação do biexciton (>40\ meV) e grande seção de choque de absorção. Como resultado, demonstramos ganho óptico eficiente nessas estruturas, e recorde de mais baixo limiar para a amplificação da emissão espontânea (ASE) em nanomateriais esféricos. Além disso, os testes de ASE demonstraram que a estrutura de SQW permite uma estabilidade recorde nas propriedades fotofísicas do NC Abstract: Semiconductor colloidal nanocrystals (NCs) have emerged as a promising platform for fundamental research and opto-electronic applications. It introduces the possibility of a material with tunable band gap energy (by size control), and that can be easily synthetized via chemical routes. These characteristics are particularly interesting to be applied in gain media of lasers. In fact, colloidal NCs open the possibility of a solution-processed semiconductor laser, bringing great flexibility in the arcquiterture of new devices. Based on that, in this thesis, we investigate the fundamental aspects underlying the application of NCs as gain media. More specifically, we focus our studies on how the quantum confinement affects the performance of colloidal NCs in light amplification. To do so, we first examine an important class of colloidal material, the metal halide perovskite NCs (PQDs), with the composition CsPbBr3. By performing a systematic study of the multiexciton interactions, we demonstrate that this structure enhances the many body carrier-carrier Coulombic interactions. Moreover, we see strong evidence that these characteristics yield to reduced reabsorption effects, boosting the optical gain performance of PQD in relation to other traditional NCs. After that, we study a widely used technique to investigate optical gain of NCs, the transient absorption (TA). We show that part of the literature on the field could be misleading due to ignoring effects of beam depletion in this experiment. Based on that, we propose a modification on the technique, which is performing a two-photon excitation. By doing so, we show that the beam depletion is effectively eliminated, yielding to a higher and non-distorted TA signal. Finally, we study a new class of heterostructured NC, called spherical quantum well (SQW), composed by CdSe/CdS/CdSe (core/well/shell). We show that this kind of structure can be engineered to unite long Auger recombination lifetimes (>1\ ns), near-unit photoluminescence quantum yield, high biexciton binding energy (>40\ meV) and large absorption cross section. As a result, we demonstrate efficient optical gain in these structures, and record low amplified spontaneous emission (ASE) threshold for spherical nanoparticles. Moreover, ASE tests demonstrated that the SQW structure enables record stability on the NC photophysical properties Doutorado Física Aplicada Doutor em Ciências CNPQ 141028/2017-3