Los químicos de UC Berkeley crearon un tipo de cristal de perovskita de haluro que emite luz azul, algo que ha sido difícil de lograr con este nuevo material de moda. Pero los investigadores descubrieron que estos materiales son inherentemente inestables, que requieren un control cuidadoso de la temperatura y el entorno químico para mantener su color preciso. Esta inestabilidad puede tener otras aplicaciones, sin embargo. Crédito:Peidong Yang, UC Berkeley
Universidad de California, Berkeley, Los científicos han creado un diodo emisor de luz (LED) azul a partir de un nuevo material semiconductor de moda, perovskita de haluro, superando una barrera importante para emplear estos materiales fáciles de hacer en dispositivos electrónicos.
En el proceso, sin embargo, los investigadores descubrieron una propiedad fundamental de las perovskitas de haluro que puede resultar una barrera para su uso generalizado como células solares y transistores.
Alternativamente, esta propiedad única puede abrir un mundo completamente nuevo para las perovskitas mucho más allá del de los semiconductores estándar actuales.
En un artículo que aparece el 24 de enero en la revista Avances de la ciencia , El químico de UC Berkeley Peidong Yang y sus colegas muestran que la estructura cristalina de las perovskitas de haluro cambia con la temperatura, la humedad y el medio ambiente químico, alterando sus propiedades ópticas y electrónicas. Sin un estrecho control del entorno físico y químico, Los dispositivos de perovskita son inherentemente inestables. Este no es un problema importante para los semiconductores tradicionales.
"Algunas personas pueden decir que esto es una limitación. Para mí, Esta es una gran oportunidad, "dijo Yang, la Cátedra Distinguida S. K. y Angela Chan en Energía en la Facultad de Química y directora del Instituto Kavli Energy NanoSciences. "Esta es una nueva física:una nueva clase de semiconductores que se pueden reconfigurar fácilmente, dependiendo del tipo de entorno en el que los coloques. Podrían ser un sensor realmente bueno, tal vez un buen fotoconductor, porque serán muy sensibles en su respuesta a la luz y los productos químicos ".
Los semiconductores actuales hechos de silicio o nitruro de galio son muy estables en un rango de temperaturas, principalmente porque sus estructuras cristalinas se mantienen unidas por fuertes enlaces covalentes. Los cristales de perovskita de haluro se mantienen unidos por enlaces iónicos más débiles, como los de un cristal de sal. Esto significa que son más fáciles de hacer, se pueden evaporar con una solución simple, pero también son susceptibles a la humedad. calor y otras condiciones ambientales.
"Este documento no se trata solo de mostrar que hicimos este LED azul, "dijo Yang, quien es científico principal de la facultad en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y profesor de ciencia e ingeniería de materiales de UC Berkeley. "También le estamos diciendo a la gente que realmente debemos prestar atención a la evolución estructural de las perovskitas durante el funcionamiento del dispositivo". cada vez que conduzca estas perovskitas con corriente eléctrica, si es un LED, una célula solar o un transistor. Esta es una propiedad intrínseca de esta nueva clase de semiconductor y afecta a cualquier dispositivo optoelectrónico potencial en el futuro que utilice esta clase de material ".
La estructura cristalina de la perovskita de haluro emisor de azul cambia con el calentamiento a temperatura ambiente, 300 Kelvin, a 450 Kelvin, la temperatura de funcionamiento típica de un dispositivo electrónico. El cambio estructural altera la longitud de onda de la luz, cambiándolo de azul a azul verdoso, una inestabilidad inaceptable en la electrónica. Crédito:Peidong Yang, UC Berkeley
El blues del diodo azul
Fabricar diodos semiconductores que emitan luz azul siempre ha sido un desafío, Dijo Yang. El Premio Nobel de Física de 2014 se otorgó por la creación revolucionaria de diodos emisores de luz azul eficientes a partir de nitruro de galio. Diodos que emiten luz cuando una corriente eléctrica fluye a través de ellos, son componentes optoelectrónicos en circuitos de fibra óptica, así como luces LED de uso general.
Desde que las perovskitas de haluro atrajeron una gran atención por primera vez en 2009, cuando los científicos japoneses descubrieron que fabrican células solares altamente eficientes, estos facilmente hechos, Los cristales económicos han emocionado a los investigadores. Hasta aquí, Se han demostrado diodos emisores de rojo y verde, pero no azul. Los diodos emisores de azul de perovskita de haluro han sido inestables, es decir, su color cambia a más largo, longitudes de onda más rojas con el uso.
Como descubrieron Yang y sus colegas, esto se debe a la naturaleza única de la estructura cristalina de las perovskitas. Las perovskitas de haluro están compuestas por un metal, como plomo o estaño, igual número de átomos más grandes, como el cesio, y tres veces el número de átomos de haluro, como el cloro, bromo o yodo.
Cuando estos elementos se mezclan en solución y luego se secan, los átomos se ensamblan en un cristal, al igual que la sal se cristaliza en el agua de mar. Utilizando una nueva técnica y los ingredientes cesio, plomo y bromo, Los químicos de UC Berkeley y Berkeley Lab crearon cristales de perovskita que emiten luz azul y luego los bombardearon con rayos X en el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) para determinar su estructura cristalina a diversas temperaturas. Ellos encontraron que cuando se calienta desde la temperatura ambiente (alrededor de 300 Kelvin) a alrededor de 450 Kelvin, una temperatura de funcionamiento común para semiconductores, La estructura aplastada del cristal se expandió y finalmente saltó a una nueva configuración ortorrómbica o tetragonal.
Dado que la luz emitida por estos cristales depende de la disposición y las distancias entre los átomos, el color cambia con la temperatura, así como. Un cristal de perovskita que emitió luz azul (450 nanómetros de longitud de onda) a 300 Kelvin emitió repentinamente luz azul verdosa a 450 Kelvin.
Yang atribuye la estructura cristalina flexible de las perovskitas a los enlaces iónicos más débiles típicos de los átomos de haluro. La perovskita mineral natural incorpora oxígeno en lugar de haluros, produciendo un mineral muy estable. Los semiconductores a base de silicio y nitruro de galio son igualmente estables porque los átomos están unidos por fuertes enlaces covalentes.
Cristal de perovskita de halogenuro emisor de azul (estructura n3). Crédito:Peidong Yang, UC Berkeley
Hacer perovskitas emisoras de azul
Según Yang, Los diodos de perovskita emisores de azul han sido difíciles de crear porque la técnica estándar de hacer crecer los cristales como una película delgada fomenta la formación de estructuras de cristales mixtos. cada uno de los cuales emite a una longitud de onda diferente. Los electrones se canalizan hacia los cristales con la banda prohibida más pequeña, es decir, el rango más pequeño de energías no permitidas, antes de emitir luz, que tiende a ser rojo.
Para evitar esto, Los becarios postdoctorales y los co-primeros autores de Yang:Hong Chen, Jia Lin y Joohoon Kang — se volvieron solteros, cristales en capas de perovskita y, adaptar un método de baja tecnología para crear grafeno, Usé cinta adhesiva para despegar una sola capa de perovskita uniforme. Cuando se incorpora a un circuito y se descarga con electricidad, la perovskita resplandecía de azul. La longitud de onda azul real variaba con el número de capas de cristales octaédricos de perovskita, que están separados entre sí por una capa de moléculas orgánicas que permite una fácil separación de las capas de perovskita y también protege la superficie.
Sin embargo, Los experimentos de SLAC mostraron que las perovskitas emisoras de azul cambiaban sus colores de emisión con la temperatura. Esta propiedad puede tener aplicaciones interesantes, Dijo Yang. Hace dos años, demostró una ventana hecha de perovskita de haluro que se oscurece al sol y se vuelve transparente cuando se pone el sol y también produce energía fotovoltaica.
"Necesitamos pensar en diferentes formas de usar esta clase de semiconductores, ", dijo." No deberíamos poner perovskitas de haluro en el mismo entorno de aplicación que un semiconductor covalente tradicional, como el silicio. Necesitamos darnos cuenta de que esta clase de material tiene propiedades estructurales intrínsecas que lo hacen listo para reconfigurarse. Deberíamos utilizar eso ".
