Los ingenieros de la Universidad de Rice han descubierto una tecnología que podría reducir el costo de las fuentes de electrones semiconductores, componentes clave en dispositivos que van desde gafas de visión nocturna y cámaras para poca luz hasta microscopios electrónicos y aceleradores de partículas.

En un artículo de Nature Communications de acceso abierto, Los investigadores y colaboradores de Rice en el Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL) describen el primer proceso para fabricar fuentes de electrones a partir de películas delgadas de perovskita de haluro que convierten de manera eficiente la luz en electrones libres.

Los fabricantes gastan miles de millones de dólares cada año en fuentes de electrones de fotocátodos fabricadas a partir de semiconductores que contienen elementos raros como galio, selenio, cadmio y telurio.

"Esto debería ser órdenes de magnitud más bajos en costo que lo que existe hoy en el mercado, "dijo el coautor del estudio, Aditya Mohite, un científico de materiales de arroz e ingeniero químico. Dijo que las perovskitas de haluro tienen el potencial de superar a las fuentes de electrones semiconductores existentes de varias maneras.

"Primero, existe la combinación de eficiencia cuántica y vida útil, "Mohite dijo." Incluso a través de esto fue una prueba de concepto, y la primera demostración de perovskitas de haluro como fuentes de electrones, La eficiencia cuántica fue sólo aproximadamente cuatro veces menor que la de los fotocátodos de arseniuro de galio disponibles comercialmente. Y descubrimos que las perovskitas de haluro tenían una vida útil más larga que el arseniuro de galio ".

Otra ventaja es que los fotocátodos de perovskita se fabrican mediante recubrimiento por rotación, un método de bajo costo que se puede ampliar fácilmente, dijo Mohite, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y de ciencia de materiales y nanoingeniería.

"También descubrimos que los fotocátodos de perovskita degradados se pueden regenerar fácilmente en comparación con los materiales convencionales que generalmente requieren recocido a alta temperatura, " él dijo.

Los investigadores probaron docenas de fotocátodos de haluro perovskita, algunos con eficiencias cuánticas de hasta el 2,2%. Demostraron su método creando fotocátodos con componentes orgánicos e inorgánicos, y demostró que podían sintonizar la emisión de electrones tanto en el espectro visible como en el ultravioleta.

La eficiencia cuántica describe la eficacia de un fotocátodo para convertir la luz en electrones utilizables.

"Si cada fotón entrante genera un electrón y recolectas todos los electrones, tendrías una eficiencia cuántica del 100%, "dijo el autor principal del estudio, Fangze Liu, investigador asociado postdoctoral en LANL. "Los mejores fotocátodos de semiconductores actuales tienen eficiencias cuánticas de alrededor del 10-20%, y todos están hechos de materiales extremadamente costosos mediante procesos de fabricación complejos. Los metales también se utilizan a veces como fuentes de electrones, y la eficiencia cuántica del cobre es muy pequeña, aproximadamente .01%, pero todavía se usa y es una tecnología práctica ".

Los ahorros de costos de los fotocátodos de haluro perovskita vendrían en dos formas:las materias primas para fabricarlos son abundantes y económicas, y el proceso de fabricación es más simple y menos costoso que para los semiconductores tradicionales.

"Existe una gran necesidad de algo que sea de bajo costo y que pueda ampliarse, "Mohite dijo." Usando materiales procesados ​​en solución, donde literalmente puedes pintar un área grande, es completamente inaudito para fabricar el tipo de semiconductores de alta calidad necesarios para los fotocátodos ".

El nombre 'perovskita' se refiere tanto a un mineral específico descubierto en Rusia en 1839 como a cualquier compuesto con la estructura cristalina de ese mineral. Las perovskitas de haluro son las últimas, y se puede hacer mezclando plomo, estaño y otros metales con sales de bromuro o yoduro.

La investigación sobre semiconductores de perovskita de haluro despegó en todo el mundo después de que científicos del Reino Unido utilizaran cristales en forma de láminas del material para fabricar células solares de alta eficiencia en 2012. Desde entonces, otros laboratorios han demostrado que los materiales se pueden utilizar para fabricar LED. fotodetectores, Células fotoelectroquímicas para disociadores de agua y otros dispositivos.

Mohite, un experto en perovskitas que trabajó como científico investigador en LANL antes de unirse a Rice en 2018, dijo que una de las razones por las que el proyecto de fotocátodos de haluro perovskita tuvo éxito es que sus colaboradores en el grupo de investigación de tecnologías de robustez y mejora de cátodos aplicados de LANL son "uno de los mejores equipos del mundo para explorar nuevos materiales y tecnologías para fotocátodos".

Los fotocátodos funcionan según el efecto fotoeléctrico de Einstein, liberando electrones libres cuando son golpeados por luz de una frecuencia particular. La razón por la que las eficiencias cuánticas de los fotocátodos son típicamente bajas es porque incluso los defectos más mínimos, como un solo átomo fuera de lugar en la red cristalina, puede crear "pozos de potencial" que atrapan electrones libres.

"Si tienes defectos, todos tus electrones se van a perder, "Mohite dijo." Se necesita mucho control. Y tomó mucho esfuerzo idear un proceso para hacer un buen material de perovskita ".

Mohite y Liu utilizaron recubrimiento por rotación, una técnica ampliamente utilizada en la que el líquido se deja caer sobre un disco que gira rápidamente y la fuerza centrífuga esparce el líquido a través de la superficie del disco. En los experimentos de Mohite y Liu, El recubrimiento por rotación se llevó a cabo en una atmósfera de argón para limitar las impurezas. Una vez girado, los discos se calentaron y se colocaron en alto vacío para convertir el líquido en cristal con una superficie limpia.

"Se necesitaron muchas iteraciones, ", Dijo Mohite." Intentamos ajustar la composición del material y el tratamiento de la superficie de muchas maneras para obtener la combinación correcta para una máxima eficiencia. Ese fue el mayor desafío ".

Dijo que el equipo ya está trabajando para mejorar la eficiencia cuántica de sus fotocátodos.

"Su eficiencia cuántica es aún menor que la de los semiconductores de última generación, y propusimos en nuestro artículo que esto se debe a la presencia de altos defectos superficiales, ", dijo." El siguiente paso es fabricar cristales de perovskita de alta calidad con densidades de defectos superficiales más bajas.