Los investigadores han desarrollado y demostrado una técnica que les permite diseñar una clase de materiales llamados perovskitas híbridas en capas (LHP) a nivel atómico, que dicta con precisión cómo los materiales convierten la carga eléctrica en luz. Esta técnica abre la puerta a la ingeniería de materiales para su uso en láseres y LED impresos de próxima generación, y es prometedora para la ingeniería de otros materiales para su uso en dispositivos fotovoltaicos.
Las perovskitas, que se definen por su estructura cristalina, tienen propiedades ópticas, electrónicas y cuánticas deseables. Los LHP consisten en láminas increíblemente delgadas de material semiconductor de perovskita separadas entre sí por finas capas orgánicas “espaciadoras”. Los LHP se pueden depositar como películas delgadas que constan de múltiples láminas de perovskita y capas espaciadoras orgánicas. Estos materiales son deseables porque pueden convertir de manera eficiente la carga eléctrica en luz, lo que los hace prometedores para su uso en LED, láseres y circuitos integrados fotónicos de próxima generación.
Sin embargo, aunque los LHP han sido de interés para la comunidad investigadora durante años, ha habido poca comprensión sobre cómo diseñar estos materiales para controlar sus propiedades de rendimiento.
Para comprender lo que descubrieron los investigadores, hay que empezar con los pozos cuánticos, que son láminas de material semiconductor intercaladas entre capas espaciadoras.
“Sabíamos que se estaban formando pozos cuánticos en el LHP: eran las capas”, dijo Aram Amasian, autor de un artículo sobre el trabajo y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Carolina del Norte.
Y comprender la distribución de tamaños de los pozos cuánticos es importante porque la energía fluye desde estructuras de mayor energía a estructuras de menor energía a nivel molecular.
“Un pozo cuántico de dos átomos de espesor contiene más energía que un pozo cuántico de cinco átomos de espesor”, dijo Kenan Gundogdu, coautor del artículo y profesor de física en NC State. “Y para que la energía fluya eficientemente, es necesario tener pozos cuánticos de tres y cuatro átomos de espesor, entre pozos cuánticos de dos y cinco átomos de espesor. Básicamente, se desea tener una pendiente gradual para que la energía pueda caer. “.
“Pero las personas que estudian LHP se topan con una anomalía: la distribución de tamaño de los pozos cuánticos en una muestra de LHP que puede detectarse mediante difracción de rayos X será diferente a la distribución de tamaño de los pozos cuánticos que pueden detectarse mediante espectroscopía óptica”, dijo Amasian. .
“Por ejemplo, la evolución puede decirte que tu pozo cuántico tiene dos átomos de espesor, así como un cristal tridimensional”, dijo Amasian. “Pero la espectroscopia puede indicarle que tiene pozos cuánticos que tienen dos átomos, tres átomos y cuatro átomos de espesor, así como fases masivas en 3D.
“Entonces, nuestra primera pregunta fue: ¿Por qué vemos esta desconexión fundamental entre la dispersión de rayos X y la espectroscopia óptica? Y nuestra segunda pregunta fue: ¿Cómo podemos controlar el tamaño y la distribución de los pozos cuánticos en el LHP?”
A través de una serie de experimentos, los investigadores descubrieron que un actor clave participaba en la respuesta a ambas preguntas: las nanoplaquetas.
“Las nanoplaquetas son láminas individuales de material de perovskita que se forman en la superficie de la solución que utilizamos para fabricar el LHP”, dijo Amasian. “Descubrimos que estas nanoplaquetas actúan esencialmente como plantillas para el material en capas que se forma debajo de ellas. Entonces, si la nanoplaqueta tiene dos átomos de espesor, el LHP debajo de ella se forma como una serie de pozos cuánticos de dos átomos de espesor.
“Sin embargo, las nanoplaquetas en sí no son estables, como el material LHP. En cambio, el espesor de las nanoplaquetas continúa creciendo, agregando nuevas capas de átomos con el tiempo. Entonces, cuando la nanoplaqueta tiene tres átomos de espesor, forma una placa de tres átomos. pozo cuántico, y así, eventualmente, la nanoplaqueta es tan densa que se convierte en un cristal tridimensional”.
Este hallazgo resolvió una discrepancia de larga data sobre por qué la dispersión de rayos X y la espectroscopia óptica daban resultados diferentes. La difracción detecta el apilamiento de láminas y, por tanto, no detecta nanoplaquetas, mientras que la espectroscopia óptica detecta láminas aisladas.
“Lo interesante es que descubrimos que básicamente podemos detener el crecimiento de nanoplaquetas de forma controlada, básicamente ajustando el tamaño y la distribución de los pozos cuánticos en las películas de LHP”, dijo Amasian. “Y al controlar el tamaño y la disposición de los pozos cuánticos, podemos lograr excelentes cascadas de energía, lo que significa que el material es muy eficiente y rápido para canalizar carga y energía para aplicaciones de láser y LED”.
Cuando los investigadores descubrieron que las nanoplaquetas desempeñaban un papel tan importante en la formación de la capa de perovskita en LHP, decidieron ver si las nanoplaquetas podían usarse para diseñar la estructura y las propiedades de otros materiales de perovskita, como las perovskitas utilizadas para convertir la luz. Electricidad en células solares y otras tecnologías fotovoltaicas.
“Descubrimos que las nanoplaquetas desempeñan un papel similar en otros materiales de perovskita y pueden usarse para diseñar esos materiales para desarrollar las estructuras deseadas, mejorando su rendimiento y estabilidad fotovoltaica”, dijo Milad Abolhassani, coautor del artículo y profesor de ALCOA. Ingeniería Química y Biomolecular en NC State.
El trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias con la subvención 1936527; y de la Oficina de Investigaciones Navales bajo la subvención N00014-20-1-2573.