A engenharia de materiais de perovskita em nível atômico abre caminho para novos lasers e LEDs

Os pesquisadores desenvolveram e demonstraram uma técnica que lhes permite projetar uma classe de materiais chamados perovskitas híbridas em camadas (LHPs) até o nível atômico, que determina precisamente como os materiais convertem a carga elétrica em luz. A técnica abre as portas para a engenharia de materiais adaptados para uso em LEDs e lasers impressos de próxima geração – e é uma promessa para a engenharia de outros materiais para uso em dispositivos fotovoltaicos.

O artigo, “Ligação Catiônica Guia a Formação de Poços Quânticos em Perovskitas Híbridas em Camadas”, é publicado no diário Matéria.

Perovskitas, que são definidas por seus estrutura cristalinatêm desejáveis ​​​​ópticos, eletrônicos e propriedades quânticas. Os LHPs consistem em folhas incrivelmente finas de materials semicondutor de perovskita que são separadas umas das outras por finas camadas orgânicas “espaçadoras”.

Os LHPs podem ser estabelecidos como filmes finos que consistem em múltiplas folhas de perovskita e camadas espaçadoras orgânicas. Esses materiais são desejáveis ​​porque podem converter eficientemente carga elétrica em luz, tornando-os promissores para uso em LEDs, lasers e circuitos integrados fotônicos de próxima geração.

No entanto, embora os LHPs tenham sido de interesse da comunidade de investigação durante anos, havia pouca compreensão de como projetar estes materiais, a fim de controlar as suas características de desempenho.

Para entender o que os pesquisadores descobriram, é preciso começar com poços quânticos, que são folhas de materials semicondutor imprensadas entre camadas espaçadoras.

“Sabíamos que os poços quânticos estavam se formando nos LHPs – eles são as camadas”, diz Aram Amassian, autor correspondente de um artigo sobre o trabalho e professor de ciência e engenharia de materiais na Universidade Estadual da Carolina do Norte.

E compreender a distribuição de tamanho dos poços quânticos é importante porque a energia flui de estruturas de alta energia para estruturas de baixa energia no nível molecular.

“Um poço quântico com dois átomos de espessura tem energia mais alta do que um poço quântico com cinco átomos de espessura”, diz Kenan Gundogdu, coautor do artigo e professor de física na NC State. “E para fazer com que a energia flua de forma eficiente, você deseja ter poços quânticos com três e quatro átomos de espessura entre os poços quânticos com dois e cinco átomos de espessura. Basicamente, você deseja ter uma inclinação gradual para que a energia possa descer em cascata. .”

“Mas as pessoas que estudam os LHPs continuavam se deparando com uma anomalia: a distribuição de tamanho dos poços quânticos em uma amostra de LHP que poderia ser detectada por difração de raios X seria diferente da distribuição de tamanho dos poços quânticos que poderiam ser detectados usando espectroscopia óptica”, disse Amassian. diz.

“Por exemplo, a difração pode dizer que seus poços quânticos têm dois átomos de espessura, além de haver um cristal tridimensional”, diz Amassian. “Mas a espectroscopia pode dizer que você tem poços quânticos com dois átomos, três átomos e quatro átomos de espessura, bem como a fase 3D em massa.

“Então, a primeira pergunta que tivemos foi: por que estamos vendo essa desconexão elementary entre a difração de raios X e a espectroscopia óptica? E nossa segunda pergunta foi: como podemos controlar o tamanho e a distribuição dos poços quânticos nos LHPs?”

Através de uma série de experimentos, os pesquisadores descobriram que havia um ator-chave envolvido na resposta a ambas as perguntas: as nanoplacas.

“Nanoplacas são folhas individuais de perovskita que se formam na superfície da solução que usamos para criar LHPs”, diz Amassian. “Descobrimos que essas nanoplacas servem essencialmente como modelos para materiais em camadas que se formam sob elas. Portanto, se a nanoplaca tiver dois átomos de espessura, o LHP abaixo dela forma-se como uma série de poços quânticos de dois átomos de espessura.

“No entanto, as próprias nanoplacas não são estáveis, como o resto do materials LHP. Em vez disso, a espessura das nanoplacas continua crescendo, adicionando novas camadas de átomos ao longo do tempo. Então, quando a nanoplaca tem três átomos de espessura, ela forma três – poços quânticos de átomos e assim por diante. E, eventualmente, as nanoplacas crescem tão espessas que se tornam um cristal tridimensional.”

Essa descoberta também resolveu a antiga anomalia sobre por que a difração de raios X e a espectroscopia óptica estavam fornecendo resultados diferentes. A difração detecta o empilhamento de folhas e, portanto, não detecta nanoplacas, enquanto a espectroscopia óptica detecta folhas isoladas.

“O que é emocionante é que descobrimos que podemos essencialmente parar o crescimento de nanoplacas de forma controlada, essencialmente ajustando o tamanho e a distribuição dos poços quânticos em filmes LHP”, diz Amassian. “E controlando o tamanho e a disposição do poços quânticospodemos alcançar excelentes cascatas de energia – o que significa que o materials é altamente eficiente e rápido na canalização de cargas e energia para fins de aplicações de laser e LED.”

Quando os pesquisadores descobriram que as nanoplacas desempenhavam um papel tão crítico na formação de camadas de perovskita em LHPs, eles decidiram ver se as nanoplacas poderiam ser usadas para projetar a estrutura e as propriedades de outros materiais de perovskita – como as perovskitas usadas para converter luz em eletricidade. em células solares e outras tecnologias fotovoltaicas.

“Descobrimos que as nanoplacas desempenham um papel semelhante em outros materiais de perovskita e podem ser usadas para projetar esses materiais para melhorar a estrutura desejada, melhorando seu desempenho e estabilidade fotovoltaica”, diz Milad Abolhasani, co-autor do artigo e professor de ALCOA de Engenharia Química e Biomolecular na NC State.

O artigo foi coautor de Kasra Darabi, Fazel Bateni, Tonghui Wang, Laine Taussig e Nathan Woodward, todos Ph.D. graduados do estado NC; Mihirsinh Chauhan, Boyu Guo, Jiantao Wang, Dovletgeldi Seyitliyev, Masoud Ghasemi e Xiangbin Han, todos pesquisadores de pós-doutorado na NC State; Evgeny Danilov, diretor do Laboratório de Espectroscopia de Imagens e Cinética da NC State; Xiaotong Li, professor assistente de química na NC State; e Ruipeng Li do Laboratório Nacional de Brookhaven.