Un diagrama muestra cómo las capas de dos materiales 2D, una perovskita (azul) y un haluro metálico (amarillo), se ensamblan a partir de sustancias químicas que caen en el agua (izquierda). El ensamblaje está dirigido por moléculas enlazadoras que parecen barras. Cada extremo de una barra (azul o amarilla) lleva una plantilla química para hacer crecer una de las capas, y a medida que crecen las capas, las barras los unen en el orden correcto. La nueva técnica de autoensamblaje, desarrollado por investigadores de SLAC y Stanford, produce cristales grandes con una amplia gama de propiedades electrónicas. Crédito:Jiayi Li / Universidad de Stanford
Apilar películas de material extremadamente delgadas una encima de la otra puede crear nuevos materiales con propiedades nuevas e interesantes. Pero los procesos más exitosos para construir esas pilas pueden ser tediosos e imperfectos, y no es adecuado para la producción a gran escala.
Ahora, un equipo dirigido por la profesora de Stanford, Hemamala Karunadasa, ha creado una forma mucho más sencilla y rápida de hacerlo. Crecieron capas 2D de uno de los materiales más buscados, conocidas como perovskitas, intercalados con finas capas de otros materiales en grandes cristales que se ensamblan.
El montaje se realiza en viales donde los ingredientes químicos de las capas se mueven en agua, junto con moléculas en forma de barra que dirigen la acción. Cada extremo de una barra lleva una plantilla para hacer crecer un tipo de capa. A medida que las capas se cristalizan, un proceso similar a la elaboración de un caramelo de roca, las barras las unen automáticamente en el orden correcto.
"Lo que es realmente genial es que estos complejos materiales en capas cristalizan espontáneamente, "dijo Michael Aubrey, quien era investigador postdoctoral en el laboratorio de Karunadasa en el momento del estudio.
Los investigadores dicen que su método sienta las bases para hacer una amplia gama de semiconductores complejos de una manera mucho más deliberada. incluyendo combinaciones de materiales que no se sabe que se emparejen en cristales antes. Describieron el trabajo en un artículo publicado en Naturaleza hoy dia.
"Estamos muy entusiasmados con esta estrategia general que se puede expandir a tantos tipos de materiales, "dijo Karunadasa, quien es investigador del Instituto de Ciencias de Materiales y Energía de Stanford (SIMES) en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía.
"En lugar de manipular los materiales una capa a la vez, " ella dijo, "Simplemente arrojamos los iones en una olla de agua y dejamos que los iones se ensamblen de la forma en que ellos quieren ensamblarse. Podemos hacer gramos de estas cosas, y sabemos dónde están los átomos en los cristales. Este nivel de precisión me permite saber cómo se ven realmente las interfaces entre las capas, que es importante para determinar la estructura electrónica del material:cómo se comportan sus electrones "
Fácil de hacer, difícil de apilar
Las perovskitas de haluro, materiales que tienen la misma estructura octaédrica que los minerales de perovskita de origen natural, se han ensamblado en agua desde la década de 1900. Dijo Aubrey. Tienen un gran potencial para absorber eficientemente la luz solar en las células solares y convertirla en electricidad. pero también son notoriamente inestables, especialmente en el calor, Entornos brillantemente iluminados en los que operan los sistemas fotovoltaicos.
La capa de perovskitas con otros materiales podría combinar sus propiedades de manera que mejoren su rendimiento en aplicaciones específicas. Pero una perspectiva aún más emocionante es que podrían surgir propiedades completamente nuevas e inesperadas en las interfaces donde se encuentran las capas; por ejemplo, Los científicos han descubierto anteriormente que apilar películas delgadas de dos tipos diferentes de aisladores puede crear un conductor eléctrico.
Es difícil predecir qué combinaciones de materiales resultarán interesantes y útiles. Y lo que es más, la fabricación de materiales en capas delgadas ha sido un proceso lento, proceso minucioso. Las capas se hacen generalmente pelando películas de solo uno o dos átomos de espesor, uno a la vez, a partir de una gran cantidad de material. Así es como se hace el grafeno a partir del grafito, una forma pura de carbono que se utiliza en las minas de los lápices. En otros casos, Estos materiales en capas delgadas se fabrican en pequeños lotes a temperaturas muy altas.
"La forma en que están hechos no ha sido escalable y, a veces, incluso difícil de reproducir de un lote a otro, "Dijo Karunadasa." Despegar capas que tienen solo uno o dos átomos de espesor es un trabajo especializado; no es algo que tú y yo podamos ir al laboratorio y hacer. Estas hojas son como una baraja de cartas muy flexible; cuando sacas uno, puede arrugarse o doblarse. Por tanto, es difícil conocer la estructura exacta de la pila final. Hay muy pocos precedentes de materiales que se parezcan a los que creamos en este estudio ".
Síntesis de caramelo de roca
Este trabajo surgió de la investigación del coautor del estudio, Abraham Saldivar Valdés, un estudiante de posgrado en el grupo de Karunadasa en ese momento. A lo largo de varios años, desarrolló el nuevo método para hacer que las estructuras en capas se ensamblaran por sí mismas, que fue ampliado por la estudiante de posgrado Bridget Connor. Mientras tanto, Aubrey descubrió que sus capas atómicamente delgadas tenían la misma estructura que los bloques 3D de materiales similares cuyas propiedades ya se conocían. y rastreó cómo las dos capas diferentes tienen que distorsionarse ligeramente para compartir una interfaz. También estudió las propiedades ópticas de los productos finales con la ayuda del estudiante graduado Kurt Lindquist.
La forma en que las capas 2D están vinculadas en cristales autoensamblados puede tener un gran impacto en su estructura electrónica, que determina sus propiedades. En el material de arriba a la izquierda, los enlaces mantienen las capas ligeramente separadas (ver recuadro). Cuando este material recibe luz para liberar electrones y crear agujeros con carga positiva (en naranja en la parte superior derecha), ambos se concentran en las capas de perovskita. A diferencia de, los enlaces en el material en la parte inferior izquierda (ver recuadro) mantienen las capas tan juntas que pueden formar enlaces químicos directos. Cuando este material recibe un impacto de luz (abajo a la derecha), los electrones permanecen principalmente en un tipo de capa y huecos en el otro. Estas propiedades emergentes son una consecuencia particularmente interesante de las interfaces entre dos tipos diferentes de estructuras. Crédito:Michael Aubrey / Universidad de Stanford
Crear las estructuras en capas "es exactamente el mismo proceso que hacer caramelos de roca, donde se coloca una clavija de madera en una solución de azúcar saturada y los cristales de caramelo se siembran en la clavija, "Dijo Aubrey." Pero en este caso los materiales de partida son diferentes y no se necesita una clavija, los cristales comenzarán a formarse en el agua o en la superficie del frasco de vidrio ".
El equipo fabricó seis de los materiales autoensamblados, intercalación de perovskitas con halogenuros metálicos o sulfuros metálicos, y los examinó con rayos X en la fuente de luz avanzada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE.
En la mayoría de las estructuras, las moléculas de la barra mantenían las capas ligeramente separadas. Pero en uno de ellos, las moléculas de barra pusieron las capas directamente en contacto entre sí para que pudieran formar enlaces químicos.
"Estamos particularmente entusiasmados con este tipo de estructura donde las capas están conectadas porque podría conducir a propiedades emergentes, como excitaciones electrónicas que se distribuyen en ambas capas, "Dijo Karunadasa.
"Y en este caso particular, cuando golpeamos el material con luz para liberar electrones y crear agujeros cargados positivamente, encontramos los electrones principalmente en un tipo de capa y los huecos principalmente en el otro. Esto es importante en nuestro campo, porque le permite sintonizar esos dos entornos para obtener el comportamiento electrónico que desea ".
Con la nueva técnica en la mano, Aubrey dijo:"Estamos haciendo mucha exploración ahora para descubrir qué tipo de estructuras se pueden hacer con él".
