Investigadores de ETH Zurich, Empa y Stanford han tomado instantáneas de la estructura cristalina de los nanocristales de perovskita mientras eran deformadas por electrones excitados. Para su sorpresa, la deformación enderezó la estructura cristalina sesgada en lugar de desordenarla más.
Muchos problemas científicos y técnicos podrían resolverse fácilmente si fuera posible mirar dentro de un material y observar cómo sus átomos y electrones se mueven en tiempo real. En el caso de las perovskitas de haluros, una clase de minerales que se ha vuelto muy popular en los últimos años por su uso en tecnologías que van desde células solares hasta tecnologías cuánticas, los físicos llevan mucho tiempo intentando comprender sus excelentes propiedades ópticas.
Un equipo de investigadores dirigido por Nuri Yazdani y Vanessa Wood en ETH Zurich, y Aaron Lindenberg en Stanford, junto con colegas de Empa en Dübendorf, han logrado avances significativos hacia nuestra comprensión de las perovskitas al estudiar el movimiento de los átomos dentro de nanocristales con un tiempo. resolución de unas pocas milmillonésimas de segundo. Recientemente publicaron sus hallazgos en Nature Physics. .
"Las perovskitas de haluro son excelentes para muchas aplicaciones optoelectrónicas", dice Yazdani. "Pero en cierto modo resulta desconcertante cómo esta clase de materiales puede exhibir propiedades ópticas y electrónicas tan sobresalientes". Las perovskitas son minerales que tienen el mismo tipo de estructura cristalina que el titanato de calcio (CaTiO3 ), la perovskita "original".
Los investigadores sabían que cuando las perovskitas absorben luz, los electrones excitados a energías más altas se acoplan fuertemente a los fonones dentro del material. Los fonones son vibraciones colectivas, similares a las ondas sonoras, de los átomos de un cristal. "A menudo se puede considerar fija la posición media de cada átomo dentro de un cristal, pero eso ya no es posible cuando una excitación óptica de un electrón conduce a una gran reorganización de la red cristalina", explica Yazdani. Por lo tanto, la pregunta que los investigadores tenían que responder era:¿cómo cambian los electrones excitados en las perovskitas la forma de la red cristalina?
Mirando el interior de los nanocristales
Para echar un vistazo al interior de una perovskita (bromuro de plomo y formamidinio) sintetizada en Empa por Maryna Bodnarchuk y el profesor de ETH Maksym Kovalenko, los investigadores utilizaron una instalación de línea de luz de difracción de electrones ultrarrápida en el Laboratorio Nacional del Acelerador de Stanford (SLAC) que produce pulsos de electrones muy cortos que duran sólo cien femtosegundos, o millonésimas de millonésima de segundo. Luego, estos electrones chocan contra los nanocristales de perovskita, de unos 10 nanómetros de tamaño, y los electrones difractados se recogen en una pantalla.
Dado que los electrones son partículas cuánticas que se comportan como ondas, después de ser difractados de los átomos dentro del material, las ondas de los electrones interfieren de manera constructiva o destructiva, dependiendo de las posiciones de los átomos y la dirección de la difracción, de manera muy similar a la luz que emerge de una doble rendija. De esta manera se pueden medir incluso pequeños cambios en la estructura cristalina.
Los investigadores de ETH utilizaron una característica especial de la línea de luz SLAC para tomar instantáneas de la estructura cristalina durante y después de la absorción de un fotón:usando el mismo láser para crear los fotones y activar el pulso de electrones, pudieron controlar el tiempo de llegada del fotón a los nanocristales en relación con el de los electrones cambiando la distancia que los fotones tenían que recorrer. A partir del análisis de esas instantáneas durante varios cientos de picosegundos (milmillonésimas de segundo), fue posible ver cómo la deformación de la red cristalina causada por los electrones fotoexcitados evolucionó con el tiempo.
Los resultados tomaron por sorpresa a los investigadores. Esperaban ver una deformación de la red cristalina que debería haber llevado a una reducción de su simetría. En cambio, observaron un cambio hacia una mayor simetría:los electrones excitados habían enderezado ligeramente la estructura cristalina sesgada de la perovskita.
A partir de los cálculos del modelo, pudieron deducir que varios excitones (pares unidos de electrones excitados y huecos cargados positivamente dejados por su excitación) podrían cooperar para enderezar la red. Dado que eso reduce su energía total, los excitones se atraen efectivamente entre sí.
"Comprender el origen del acoplamiento electrón-fonón facilitará la producción de perovskitas con propiedades ópticas particulares diseñadas a medida para aplicaciones específicas", afirma Yazdani. Por ejemplo, los nanocristales de perovskita para su uso en pantallas de televisión de próxima generación pueden recubrirse con una capa de otro material para reducir el acoplamiento electrón-fonón y, por tanto, reducir el ancho de línea espectral de la luz emitida. Así lo demostraron ya en 2022 varios de los coautores del artículo Nature Physics. papel.
Además, dado que la interacción de atracción entre excitones es similar al mecanismo que permite que la corriente eléctrica fluya sin pérdidas en los superconductores, esa atracción podría aprovecharse para mejorar el transporte de electrones. Esto, a su vez, podría resultar útil para fabricar células solares basadas en perovskitas.
Más información: Nuri Yazdani et al, El acoplamiento a inclinaciones octaédricas en nanocristales de perovskita de haluro induce interacciones atractivas mediadas por fonones entre excitones, Nature Physics (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02253-7
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por ETH Zurich
