El equipo estuvo dirigido por el Prof. Loh Kian Ping, Catedrático de Física y Química de Materiales y Profesor Global STEM del Departamento de Física Aplicada, la Dra. Kathy Leng, Profesora Asistente del mismo departamento, junto con el Dr. Hwa Seob Choi, Postdoctoral. Investigador y primer autor del artículo de investigación.

Este avance abre un nuevo campo de perovskitas totalmente orgánicas 2D, que es prometedor tanto para la ciencia fundamental como para aplicaciones potenciales. Esta investigación, titulada "Perovskitas totalmente orgánicas bidimensionales, molecularmente delgadas", se publicó recientemente en la revista Science. .

Las perovskitas reciben su nombre por su parecido estructural con el mineral titanato de calcio perovskita y son bien conocidas por sus fascinantes propiedades que pueden aplicarse en una amplia gama de campos, como las células solares, la iluminación y la catálisis. Con una fórmula química fundamental de ABX₃ , las perovskitas poseen la capacidad de ajustarse con precisión ajustando los cationes A y B, así como el anión X, allanando el camino para el desarrollo de materiales de alto rendimiento.

Si bien la perovskita se descubrió por primera vez como un compuesto inorgánico, el equipo del profesor Loh ha centrado su atención en la clase emergente de perovskitas totalmente orgánicas. En esta nueva familia, los constituyentes A, B y X son moléculas orgánicas en lugar de átomos individuales como los metales o el oxígeno.

Los principios de diseño para crear perovskitas tridimensionales (3D) utilizando componentes orgánicos se han establecido recientemente. Significativamente, las perovskitas totalmente orgánicas ofrecen distintas ventajas sobre sus contrapartes totalmente inorgánicas, ya que son procesables en solución y flexibles, lo que permite una fabricación rentable.

Además, manipulando la composición química del cristal, se pueden diseñar con precisión valiosas propiedades electromagnéticas, como las propiedades dieléctricas, que encuentran aplicaciones en electrónica y condensadores.

Tradicionalmente, los investigadores enfrentan desafíos en la síntesis de perovskitas 3D totalmente orgánicas debido a la selección restringida de moléculas orgánicas que pueden encajar con la estructura cristalina. Al reconocer esta limitación, el profesor Loh y su equipo propusieron un enfoque innovador:sintetizar perovskitas totalmente orgánicas en forma de capas 2D en lugar de cristales 3D.

Esta estrategia tenía como objetivo superar las limitaciones impuestas por las moléculas voluminosas y facilitar la incorporación de una gama más amplia de iones orgánicos. El resultado esperado fue la aparición de propiedades novedosas y extraordinarias en estos materiales.

Al validar su predicción, el equipo desarrolló una nueva clase general de perovskitas orgánicas en capas. Siguiendo la convención para nombrar las perovskitas, la llamaron "fase Choi-Loh-v" (CL-v) en honor al Dr. Choi y al Prof. Loh.

Estas perovskitas comprenden capas molecularmente delgadas unidas por fuerzas que mantienen unidas las capas de grafito, las llamadas fuerzas de van der Waals, de ahí la "v" en CL-v. En comparación con las perovskitas híbridas 2D previamente estudiadas, la fase CL-v se estabiliza mediante la adición de otro catión B en la celda unitaria y tiene la fórmula general A₂ B₂ X₄ .

Utilizando química en fase de solución, el equipo de investigación preparó un material CL-v conocido como CMD-N-P₂ , en el que los sitios A, B y X están ocupados por CMD (una molécula orgánica cíclica clorada), amonio y PF₆ ^- iones, respectivamente. La estructura cristalina esperada se confirmó mediante microscopía electrónica de alta resolución realizada a temperatura criogénica.

Estas perovskitas orgánicas 2D molecularmente delgadas son fundamentalmente diferentes de los minerales 3D tradicionales:son monocristalinas en dos dimensiones y pueden exfoliarse como escamas hexagonales de solo unos pocos nanómetros de espesor, 20.000 veces más delgadas que un cabello humano.

La procesabilidad de la solución de perovskitas orgánicas 2D presenta oportunidades interesantes para su aplicación en electrónica 2D. El equipo de Poly U realizó mediciones de las constantes dieléctricas de la fase CL-v, arrojando valores que oscilaron entre 4,8 y 5,5. Estos valores superan los de materiales comúnmente utilizados como el dióxido de silicio y el nitruro de boro hexagonal.

Este descubrimiento establece una vía prometedora para incorporar la fase CL-v como capa dieléctrica en dispositivos electrónicos 2D, ya que estos dispositivos a menudo necesitan capas dieléctricas 2D con constantes dieléctricas altas, que normalmente son escasas.

El Dr. Leng, miembro del equipo, abordó con éxito el desafío de integrar perovskitas orgánicas 2D con electrónica 2D. En su enfoque, se empleó la fase CL-v como capa dieléctrica de la puerta superior, mientras que el material del canal consistía en sulfuro de molibdeno atómicamente delgado.

Al utilizar la fase CL-v, el transistor logró un control superior sobre el flujo de corriente entre los terminales de fuente y drenaje, superando las capacidades de las capas dieléctricas de óxido de silicio convencionales.

La investigación del profesor Loh no solo establece una clase completamente nueva de perovskitas totalmente orgánicas, sino que también demuestra cómo se pueden procesar en solución junto con una técnica de fabricación avanzada para mejorar el rendimiento de los dispositivos electrónicos 2D. Estos desarrollos abren nuevas posibilidades para la creación de sistemas electrónicos más eficientes y versátiles.