Svelate proprietà fondamentali del biossido di titanio

Maurizia Palummo, Professore Associato di Fisica della Materia all’Università di Roma Tor Vergata, partecipa ad una ricerca internazionale che svela proprietà fondamentali di uno dei materiali più promettenti per la conversione di luce in energia

Il biossido di Titanio, TiO2, e’ un materiale che si presta ad un’ampia gamma di applicazioni, dal fotovoltaico alla fotocatalisi ai vetri autopulenti, alla purificazione di acqua ed aria. Nella forma cristallina detta anatase mostra le proprietà più promettenti per le applicazioni di conversione di luce in energia. Sorprendentemente, nonostante i numerosissimi studi di ricerca fondamentale ed applicativa, la vera natura delle proprietà elettroniche ed ottiche e quindi del processo di assorbimento di luce in tale materiale non erano stati finora completamente chiariti.
Grazie alle più avanzate tecniche di indagine sperimentale e teorico-computazionale, il team di scienziati ha scoperto che quando la luce colpisce l’anatase non si creano solo cariche libere (elettroni e buche) come accade in semiconduttori tradizionali, quali ad esempio il Silicio, ma si possono creare coppie legate di elettroni e buche, chiamate eccitoni. L’ eccitone fortemente legato trovato alla soglia dell’ assorbimento ottico dell’ anatase mostra varie proprietà interessanti: nonostante il materiale abbia una struttura cristallina tridimensionale, è praticamente bidimensionale; inoltre esso conserva inalterate le sue proprietà al variare della temperatura, della presenza di difetti e persino riducendo la dimensione del materiale fino a scale del nanometro. Questa “immunità” dell’eccitone implica che esso possa immagazzinare l’energia elettromagnetica assorbita ed incanalarla in modo controllato alla nanoscala, contribuendo a migliorare le prestazioni rispetto alle tecnologie attuali, in cui gran parte dell’energia viene dissipata attraverso le vibrazioni del cristallo.
“Poiché i materiali basati sul biossido di Titanio sono economici e facili da fabbricare, il nostro studio può essere importante per capire come ottimizzarne le attuali applicazioni ed immaginarne di future”   dice Maurizia Palummo.

Per saperne di più
E. Baldini, L. Chiodo, A. Dominguez, M. Palummo, S. Moser, M. Yazdi-Rizi, G. Auböck, B.P.P. Mallett, H. Berger, A. Magrez, C. Bernhard, M. Grioni, A. Rubio, M. Chergui. Strongly bound excitons in anatase TiO2 single crystals and nanoparticles. Nature Communications 13 April 2017. DOI: s41467-017-00016-6