(Noticias de Nanowerk) Los investigadores han desarrollado y demostrado una técnica que les permite diseñar una clase de materiales llamados perovskitas híbridas en capas (LHP) hasta el nivel atómico, que dicta precisamente cómo los materiales convierten la carga eléctrica en luz. La técnica abre la puerta a materiales de ingeniería diseñados para su uso en LED y láseres impresos de próxima generación, y es prometedora para la ingeniería de otros materiales para su uso en dispositivos fotovoltaicos. La investigación publicada en Materia (“La ligadura catiónica guía la formación de pozos cuánticos en perovskitas híbridas en capas”). PerovskitasLos LHP, 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 que están separadas entre sí por capas "espaciadoras" orgánicas delgadas. Los LHP se pueden colocar como películas delgadas que consisten en múltiples láminas de perovskita y capas espaciadoras orgánicas. Estos materiales son deseables porque pueden convertir eficientemente 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, si bien los LHP han sido de interés para la comunidad de investigación durante años, había poco conocimiento sobre cómo diseñar estos materiales para controlar sus características de rendimiento. Para comprender lo que descubrieron los investigadores, debe comenzar con pozos cuánticos, que son láminas de material semiconductor intercaladas entre capas espaciadoras. “Sabíamos que se estaban formando pozos cuánticos en los LHP: son las capas”, dice Aram Amassian, autor correspondiente 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 del tamaño de los pozos cuánticos es importante porque la energía fluye desde estructuras de alta energía a estructuras de baja energía a nivel molecular. “Un pozo cuántico de dos átomos de espesor tiene mayor energía que un pozo cuántico de cinco átomos de espesor”, dice Kenan Gundogdu, coautor del artículo y profesor de física en NC State. “Y para que la energía fluya de manera eficiente, desea tener pozos cuánticos de tres y cuatro átomos de espesor entre los pozos cuánticos de dos y cinco átomos de espesor. Básicamente, desea tener una pendiente gradual por la que la energía pueda caer en cascada”. “Pero las personas que estudian los LHP se seguían encontrando con una anomalía: la distribución del tamaño de los pozos cuánticos en una muestra de LHP que se podía detectar mediante difracción de rayos X sería diferente a la distribución de tamaño de los pozos cuánticos que podrían detectarse usando espectroscopia óptica”, dice Amassian. “Por ejemplo, la difracción podría indicarle que sus pozos cuánticos tienen dos átomos de espesor, además de que existe un cristal tridimensional”, dice Amassian. “Pero la espectroscopia podría decirle que tiene pozos cuánticos de dos átomos, tres átomos y cuatro átomos de espesor, así como la fase masiva 3D. “Entonces, la primera pregunta que tuvimos fue: ¿por qué estamos viendo esta desconexión fundamental entre la difracción 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 los LHP?” A través de una serie de experimentos, los investigadores descubrieron que había un actor clave involucrado en la respuesta a ambas preguntas: las nanoplaquetas. “Las nanoplaquetas son láminas individuales del material de perovskita que se forman en la superficie de la solución que usamos para crear LHP”, dice Amassian. “Descubrimos que estas nanoplaquetas sirven esencialmente como plantillas para los materiales en capas que se forman 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 mismas no son estables, como el resto del material LHP. En cambio, el grosor de las nanoplaquetas sigue creciendo, añadiendo nuevas capas de átomos con el tiempo. Entonces, cuando la nanoplaqueta tiene un espesor de tres átomos, forma pozos cuánticos de tres átomos, y así sucesivamente. Y, con el tiempo, la nanoplaqueta se vuelve tan gruesa que se convierte en un cristal tridimensional”. Este hallazgo también resolvió la antigua anomalía sobre por qué la difracción de rayos X y la espectroscopia óptica proporcionaban resultados diferentes. La difracción detecta el apilamiento de láminas y, por lo tanto, no detecta nanoplaquetas, mientras que la espectroscopia óptica detecta láminas aisladas. “Lo emocionante es que descubrimos que esencialmente podemos detener el crecimiento de nanoplaquetas de manera controlada, básicamente ajustando el tamaño y la distribución de los pozos cuánticos en las películas LHP”, dice Amassian. “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 altamente eficiente y rápido en la canalización de cargas y energía para fines de aplicaciones láser y LED”. Cuando los investigadores descubrieron que las nanoplaquetas desempeñaban un papel tan crítico en la formación de capas 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 en electricidad en células solares y otras tecnologías fotovoltaicas.
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- Fuente: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=65916.php