Luces LED y monitores, y los paneles solares de calidad nacieron de una revolución en los semiconductores que convierten eficientemente la energía en luz o viceversa. Ahora, materiales semiconductores de próxima generación están en el horizonte, y en un nuevo estudio, Los investigadores han descubierto una física excéntrica detrás de su potencial para transformar la tecnología de iluminación y la energía fotovoltaica una vez más.

Comparar las propiedades cuánticas de estos semiconductores híbridos emergentes con las de sus predecesores establecidos es como comparar el Ballet Bolshoi con los saltos de tijera. Grupos giratorios de partículas cuánticas ondulan a través de los materiales emergentes, creando con facilidad, propiedades optoelectrónicas (electrónicas de luz) muy deseables, según un equipo de físicos químicos dirigido por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia.

Estas mismas propiedades no son prácticas de lograr en semiconductores establecidos.

Las partículas que se mueven a través de estos nuevos materiales también involucran al propio material en la acción cuántica, similar a los bailarines que invitan a la pista a bailar con ellos. Los investigadores pudieron medir patrones en el material causados ​​por la danza y relacionarlos con las propiedades cuánticas del material emergente y con la energía introducida en el material.

Estos conocimientos podrían ayudar a los ingenieros a trabajar de manera productiva con la nueva clase de semiconductores.

Semiconductores inusualmente flexibles

La capacidad del material emergente para albergar diversos movimientos excéntricos de partículas cuánticas, análogo a los bailarines, está directamente relacionado con su inusual flexibilidad a nivel molecular, análogo a la pista de baile que se une a los bailes. Por el contrario, semiconductores establecidos tienen rígidos, estructuras moleculares rectas que dejan el baile a las partículas cuánticas.

La clase de semiconductores híbridos que examinaron los investigadores se llama perovskita orgánico-inorgánica de haluro (HOIP), que se explicará con más detalle en la parte inferior junto con la designación de semiconductor "híbrido", que combina una red de cristal, común en los semiconductores, con una capa de material flexible de forma innovadora.

Más allá de su promesa de luminosidad y eficiencia energética únicas, Los HOIP son fáciles de producir y aplicar.

Pintarlos en

"Una ventaja convincente es que los HOIP se fabrican a bajas temperaturas y se procesan en solución, "dijo Carlos Silva, profesor de la Escuela de Química y Bioquímica de Georgia Tech. "Se necesita mucha menos energía para hacerlos, y puedes hacer grandes lotes ". Silva codirigió el estudio junto con Ajay Ram Srimath Kandada de Georgia Tech y el Istituto Italiano di Tecnologia.

Se necesitan altas temperaturas para fabricar la mayoría de los semiconductores en pequeñas cantidades, y son rígidos para aplicar a superficies, pero los HOIP se pueden pintar para hacer LED, láseres o incluso cristales de ventanas que pueden brillar en cualquier color, desde aguamarina hasta fucsia. La iluminación con HOIP puede requerir muy poca energía, y los fabricantes de paneles solares podrían impulsar la eficiencia de la energía fotovoltaica y reducir los costos de producción.

El equipo dirigido por Georgia Tech incluyó investigadores de la Université de Mons en Bélgica y el Istituto Italiano di Tecnologia. Los resultados fueron publicados el 14 de enero de 2019, en el diario Materiales de la naturaleza . El trabajo fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., Horizonte 2020 de la UE, el Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá, el Fond Québécois pour la Recherche, y la Oficina Federal de Política Científica de Bélgica.

Saltos cuánticos

Los semiconductores de los dispositivos optoelectrónicos pueden convertir la luz en electricidad o la electricidad en luz. Los investigadores se concentraron en los procesos relacionados con este último:la emisión de luz.

El truco para conseguir que un material emita luz es:hablando en general, para aplicar energía a los electrones en el material, de modo que dan un salto cuántico desde sus órbitas alrededor de los átomos y luego emiten esa energía en forma de luz cuando vuelven a bajar a las órbitas que habían abandonado. Los semiconductores establecidos pueden atrapar electrones en áreas del material que limitan estrictamente el rango de movimiento de los electrones y luego aplicar energía a esas áreas para hacer que los electrones hagan saltos cuánticos al unísono para emitir luz útil cuando saltan al unísono.

"Estos son pozos cuánticos, partes bidimensionales del material que limitan estas propiedades cuánticas para crear estas propiedades particulares de emisión de luz, "Dijo Silva.

Excitación de partículas imaginarias

Existe una forma potencialmente más atractiva de producir la luz, y es uno de los puntos fuertes de los nuevos semiconductores híbridos.

Un electrón tiene carga negativa, y una órbita que abandona después de haber sido excitada por energía es una carga positiva llamada agujero de electrones. El electrón y el agujero pueden girar uno alrededor del otro formando una especie de partícula imaginaria, o cuasipartícula, llamado excitón.

"La atracción positiva-negativa en un excitón se llama energía de enlace, y es un fenómeno de muy alta energía, lo que lo hace ideal para emitir luz, "Dijo Silva.

Cuando el electrón y el agujero se reúnan, que libera la energía vinculante para producir luz. Pero usualmente, los excitones son muy difíciles de mantener en un semiconductor.

"Las propiedades excitónicas de los semiconductores convencionales solo son estables a temperaturas extremadamente frías, ", Dijo Silva." Pero en los HOIP, las propiedades excitónicas son muy estables a temperatura ambiente ".

Giro de cuasipartículas adornado

Los excitones se liberan de sus átomos y se mueven alrededor del material. Además, Los excitones en un HOIP pueden girar alrededor de otros excitones, formando cuasipartículas llamadas biexcitones. Y hay mas.

Los excitones también giran alrededor de los átomos en la red del material. De la misma manera que un electrón y un agujero de electrones crean un excitón, este giro del excitón alrededor de un núcleo atómico da lugar a otra cuasipartícula llamada polarón. Toda esa acción puede resultar en la transición de excitones a polarones. Incluso se puede hablar de que algunos excitones adquieren un matiz "polarónico".

Para agravar todas esas dinámicas está el hecho de que los HOIP están llenos de iones cargados positiva y negativamente. La ornamentación de estas danzas cuánticas tiene un efecto general en el material en sí.

Los patrones de ondas resuenan

La participación poco común de átomos del material en estas danzas con electrones, excitones Los biexcitones y polarones crean hendiduras a nanoescala repetitivas en el material que son observables como patrones de ondas y que cambian y fluyen con la cantidad de energía agregada al material.

"En un estado fundamental, estos patrones de ondas se verían de cierta manera, pero con energía añadida, los excitones hacen las cosas de manera diferente. Eso cambia los patrones de onda y eso es lo que medimos, Silva dijo. La observación clave en el estudio es que el patrón de onda varía con diferentes tipos de excitones (excitón, biexciton, polarónico / menos polarónico) ".

Las muescas también agarran los excitones, ralentizando su movilidad a través del material, y todas estas dinámicas ornamentadas pueden afectar la calidad de la emisión de luz.

Sándwich de goma elástica

El material, una perovskita orgánico-inorgánica de haluro, es un sándwich de dos capas de celosía de cristal inorgánico con algo de material orgánico entre ellas, lo que hace que los HOIP sean un material híbrido orgánico-inorgánico. La acción cuántica ocurre en las redes cristalinas.

La capa orgánica en el medio es como una hoja de bandas de goma que convierte las celosías de cristal en una pista de baile inestable pero estable. También, Los HOIP se combinan con muchos enlaces no covalentes, suavizando el material.

Las unidades individuales del cristal toman una forma llamada perovskita, que tiene una forma de diamante muy uniforme, con un metal en el centro y halógenos como cloro o yodo en los puntos, por tanto, "haluro". Para este estudio, los investigadores utilizaron un prototipo 2-D con la fórmula (PEA) 2PbI4.