Algunos materiales novedosos que suenan demasiado buenos para ser verdad resultan ser verdaderos y buenos. Una clase emergente de semiconductores, que podría iluminar de forma asequible nuestro futuro con colores matizados que emanan de los láseres, lámparas, e incluso vidrio de ventana, podría ser el último ejemplo.

Estos materiales son muy radiantes, fácil de procesar desde la solución, y energéticamente eficiente. La persistente pregunta de si las perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas (HOIP) realmente podrían funcionar acaba de recibir una respuesta muy afirmativa en un nuevo estudio internacional dirigido por químicos físicos del Instituto de Tecnología de Georgia.

Los investigadores observaron en un HOIP una "riqueza" de física semiconductora creada por lo que podría describirse como electrones bailando sobre bases químicas que se tambalean como el piso de una casa de la diversión en un terremoto. Eso contradice la sabiduría convencional porque los semiconductores establecidos se basan en bases químicas rígidamente estables, es decir, marcos moleculares más silenciosos, para producir las propiedades cuánticas deseadas.

"Todavía no sabemos cómo funciona tener estas propiedades cuánticas estables en este intenso movimiento molecular, "dijo el primer autor Felix Thouin, asistente de investigación de posgrado en Georgia Tech. "Desafía los modelos físicos que tenemos que tratar de explicar. Es como si necesitáramos algo de física nueva".

Sorpresa de propiedades cuánticas

Sus revoltijos giratorios han hecho que los HOIP sean difíciles de examinar, pero el equipo de investigadores de un total de cinco institutos de investigación en cuatro países logró medir un HOIP prototípico y encontró sus propiedades cuánticas a la par con las establecidas, semiconductores molecularmente rígidos, muchos de los cuales están basados ​​en grafeno.

"Las propiedades eran al menos tan buenas como en esos materiales y pueden ser incluso mejores, "dijo Carlos Silva, profesor de la Escuela de Química y Bioquímica de Georgia Tech. No todos los semiconductores también absorben y emiten bien la luz, pero los HOIP lo hacen, haciéndolos optoelectrónicos y, por lo tanto, potencialmente útiles en láseres, LEDs, otras aplicaciones de iluminación, y también en fotovoltaica.

La falta de rigidez a nivel molecular en los HOIP también contribuye a que se produzcan y apliquen de manera más flexible.

Silva codirigió el estudio con el físico Ajay Ram Srimath Kandada. Su equipo publicó los resultados de su estudio sobre HOIP bidimensionales el 8 de marzo, 2018, en el diario Materiales de revisión física . Su investigación fue financiada por EU Horizon 2020, el Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá, el Fond Québécois pour la Recherche, el Consejo de Investigación de Canadá, y la Fundación Nacional de Investigación de Singapur.

La 'solución solución'

Comúnmente, Las propiedades semiconductoras surgen de redes cristalinas estáticas de átomos perfectamente interconectados. En silicio, por ejemplo, que se utiliza en la mayoría de las células solares comerciales, son átomos de silicio interconectados. El mismo principio se aplica a los semiconductores similares al grafeno.

"Estas celosías no son estructuralmente muy complejas, "Dijo Silva." Son sólo un átomo de espesor, y tienen propiedades bidimensionales estrictas, por lo que son mucho más rígidos ".

"Limitas enérgicamente estos sistemas a dos dimensiones, "dijo Srimath Kandada, quien es becario internacional Marie Curie en Georgia Tech y el Instituto Italiano de Tecnología. "Los átomos están dispuestos en infinitamente expansivos, láminas planas, y luego emergen estas propiedades optoelectrónicas muy interesantes y deseables ".

Estos materiales probados impresionan. Entonces, ¿Por qué perseguir HOIP? excepto para explorar su desconcertante física? Porque pueden ser más prácticos en aspectos importantes.

"Una de las ventajas más convincentes es que todos se fabrican con procesamiento a baja temperatura a partir de soluciones, ", Dijo Silva." Se necesita mucha menos energía para hacerlos ".

Por el contrario, Los materiales a base de grafeno se producen a altas temperaturas en pequeñas cantidades con las que puede resultar tedioso trabajar. "Con estas cosas (HOIP), puede hacer grandes lotes en solución y cubrir una ventana completa con ella si lo desea, "Dijo Silva.

Funhouse en un terremoto

Para todos los bamboleos de un HOIP, también es una celosía muy ordenada con su propio tipo de rigidez, aunque menos limitante que en los materiales bidimensionales habituales.

"No es solo una capa, ", Dijo Srimath Kandada." Hay una geometría similar a la perovskita muy específica ". Perovskita se refiere a la forma de una red de cristal HOIP, que es un andamio en capas.

"La celosía se autoensambla, "Srimath Kandada dijo:"y lo hace en una pila tridimensional hecha de capas de láminas bidimensionales. Pero los HOIP aún conservan esas deseables propiedades cuánticas 2D".

Esas hojas se mantienen unidas por capas intercaladas de otra estructura molecular que es un poco como una hoja de bandas de goma. Eso hace que el andamio se mueva como el piso de una casa de diversión.

"A temperatura ambiente, las moléculas se mueven por todos lados. Que rompe la celosía, que es donde viven los electrones. Es realmente intenso "Dijo Silva." Pero sorprendentemente, las propiedades cuánticas siguen siendo realmente estables ".

Hacer que las propiedades cuánticas funcionen a temperatura ambiente sin requerir ultraenfriamiento es importante para el uso práctico como semiconductor.

Volviendo a lo que significa HOIP, perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas, así es como el material experimental encaja en la clase química HOIP:era un híbrido de capas inorgánicas de un yoduro de plomo (la parte rígida) separadas por capas orgánicas (el caucho partes en forma de banda) de feniletilamonio (fórmula química (PEA) 2PbI4).

El plomo de este material prototípico podría cambiarse por un metal más seguro para que los humanos lo manipulen antes del desarrollo de un material aplicable.

Coreografía de electrones

Los HOIP son excelentes semiconductores porque sus electrones hacen una danza acrobática en cuadratura.

Generalmente, los electrones viven en una órbita alrededor del núcleo de un átomo o son compartidos por átomos en un enlace químico. Pero las celosías químicas HOIP, como todos los semiconductores, están configurados para compartir electrones de manera más amplia.

Los niveles de energía en un sistema pueden liberar a los electrones para que corran y participen en cosas como el flujo de electricidad y calor. Las órbitas, que luego están vacíos, se llaman agujeros de electrones, y quieren recuperar los electrones.

"El agujero se considera una carga positiva, y por supuesto, el electrón tiene carga negativa, Silva dijo. el agujero y el electrón se atraen ".

Los electrones y los agujeros corren uno alrededor del otro como parejas de baile que forman lo que los físicos llaman un "excitón". Los excitones actúan y se parecen mucho a las partículas en sí mismas, aunque en realidad no son partículas.

Saltando luz biexciton

En semiconductores, millones de excitones están correlacionados, o coreografiado, juntos, lo que hace que las propiedades sean deseables, cuando se aplica una fuente de energía como electricidad o luz láser. Adicionalmente, los excitones pueden emparejarse para formar biexcitones, potenciar las propiedades energéticas del semiconductor.

"En este material, encontramos que las energías de enlace de biexciton eran altas, "Dijo Silva." Es por eso que queremos poner esto en láseres porque la energía que ingresa termina en un 80 o 90 por ciento como biexcitones ".

Los biexcitones aumentan enérgicamente para absorber la energía de entrada. Luego se contraen enérgicamente y emiten luz. Eso funcionaría no solo en láseres sino también en LED u otras superficies que utilicen el material optoelectrónico.

"Puede ajustar la química (de los HOIP) para controlar el ancho entre los estados de biexciton, y que controla la longitud de onda de la luz emitida, "Dijo Silva." Y el ajuste puede ser muy fino para darte cualquier longitud de onda de luz ".

Eso se traduce en cualquier color de luz que desee el corazón.