Las perovskitas de haluro son una familia de materiales que han atraído la atención por sus propiedades optoelectrónicas superiores y sus posibles aplicaciones en dispositivos como células solares de alto rendimiento, diodos emisores de luz y láseres.
Estos materiales se han implementado en gran medida en aplicaciones de dispositivos de película delgada o de tamaño micrométrico. La integración precisa de estos materiales a nanoescala podría abrir aplicaciones aún más notables, como fuentes de luz en chips, fotodetectores y memristores. Sin embargo, lograr esta integración sigue siendo un desafío porque este delicado material puede dañarse con técnicas convencionales de fabricación y estampado.
Para superar este obstáculo, los investigadores del MIT crearon una técnica que permite cultivar nanocristales de perovskita de haluro individuales en el sitio donde sea necesario con un control preciso de la ubicación, dentro de menos de 50 nanómetros. (Una hoja de papel tiene 100.000 nanómetros de espesor). El tamaño de los nanocristales también se puede controlar con precisión mediante esta técnica, lo cual es importante porque el tamaño afecta a sus características. Dado que el material se cultiva localmente con las características deseadas, no se necesitan pasos de modelado litográfico convencional que podrían provocar daños.
La técnica también es escalable, versátil y compatible con los pasos de fabricación convencionales, por lo que puede permitir que los nanocristales se integren en dispositivos funcionales a nanoescala. Los investigadores utilizaron esto para fabricar conjuntos de diodos emisores de luz a nanoescala (nanoLED), pequeños cristales que emiten luz cuando se activan eléctricamente. Estos conjuntos podrían tener aplicaciones en informática y comunicaciones ópticas, microscopios sin lentes, nuevos tipos de fuentes de luz cuánticas y pantallas de alta densidad y alta resolución para realidad aumentada y virtual.
"Como muestra nuestro trabajo, es fundamental desarrollar nuevos marcos de ingeniería para la integración de nanomateriales en nanodispositivos funcionales. Al superar los límites tradicionales de la nanofabricación, la ingeniería de materiales y el diseño de dispositivos, estas técnicas pueden permitirnos manipular la materia en la nanoescala extrema. dimensiones, ayudándonos a realizar plataformas de dispositivos no convencionales importantes para abordar las necesidades tecnológicas emergentes", dice Farnaz Niroui, Profesor Asistente de Desarrollo Profesional de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) de EE Landsman, miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE), y autor principal de un nuevo artículo que describe el trabajo.
Los coautores de Niroui incluyen a la autora principal Patricia Jastrzebska-Perfect, estudiante de posgrado de EECS; Weikun "Spencer" Zhu, estudiante de posgrado del Departamento de Ingeniería Química; Mayuran Saravanapavanantham, Sarah Spector, Roberto Brenes y Peter Satterthwaite, todos estudiantes graduados de EECS; Zheng Li, postdoctorado en RLE; y Rajeev Ram, profesor de ingeniería eléctrica. La investigación se publicará en Nature Communications. .
La integración de perovskitas de haluro en dispositivos a nanoescala en chips es extremadamente difícil utilizando técnicas de fabricación a nanoescala convencionales. En un enfoque, se puede modelar una película delgada de perovskitas frágiles mediante procesos litográficos, que requieren solventes que pueden dañar el material. En otro enfoque, primero se forman cristales más pequeños en solución y luego se recogen y se colocan de la solución en el patrón deseado.
"En ambos casos hay una falta de control, resolución y capacidad de integración, lo que limita la forma en que el material puede extenderse a los nanodispositivos", afirma Niroui.
En lugar de ello, ella y su equipo desarrollaron un método para "hacer crecer" cristales de perovskita de haluro en ubicaciones precisas directamente sobre la superficie deseada donde luego se fabricará el nanodispositivo.
El núcleo de su proceso es localizar la solución que se utiliza en el crecimiento de nanocristales. Para ello, crean una plantilla a nanoescala con pequeños pozos que contienen el proceso químico mediante el cual crecen los cristales. Modifican la superficie de la plantilla y el interior de los pozos, controlando una propiedad conocida como "humectabilidad", de modo que una solución que contenga material de perovskita no se acumule en la superficie de la plantilla y quede confinada dentro de los pozos.
"Ahora tenemos estos reactores muy pequeños y deterministas dentro de los cuales el material puede crecer", afirma.
Y eso es exactamente lo que sucede. Aplican una solución que contiene material de crecimiento de perovskita de haluro a la plantilla y, a medida que el disolvente se evapora, el material crece y forma un pequeño cristal en cada pocillo.
Los investigadores descubrieron que la forma de los pozos juega un papel fundamental en el control de la posición de los nanocristales. Si se utilizan pozos cuadrados, debido a la influencia de fuerzas a nanoescala, los cristales tienen las mismas posibilidades de ser colocados en cada una de las cuatro esquinas del pozo. Para algunas aplicaciones, esto podría ser suficiente, pero para otras, es necesario tener una mayor precisión en la colocación de los nanocristales.
Al cambiar la forma del pozo, los investigadores pudieron diseñar estas fuerzas a nanoescala de tal manera que un cristal se coloque preferentemente en el lugar deseado.
A medida que el solvente se evapora dentro del pozo, el nanocristal experimenta un gradiente de presión que crea una fuerza direccional, cuya dirección exacta se determina utilizando la forma asimétrica del pozo.
"Esto nos permite tener una precisión muy alta, no sólo en el crecimiento, sino también en la colocación de estos nanocristales", afirma Niroui.
También descubrieron que podían controlar el tamaño del cristal que se forma dentro de un pozo. Cambiar el tamaño de los pocillos para permitir más o menos crecimiento de solución en el interior genera cristales más grandes o más pequeños.
Demostraron la eficacia de su técnica fabricando matrices precisas de nanoLED. En este enfoque, cada nanocristal se convierte en un nanopíxel que emite luz. Estos conjuntos de nanoLED de alta densidad podrían usarse para comunicación e informática óptica en chips, fuentes de luz cuántica, microscopía y pantallas de alta resolución para aplicaciones de realidad virtual y aumentada.
En el futuro, los investigadores quieren explorar más aplicaciones potenciales para estas pequeñas fuentes de luz. También quieren probar los límites de cuán pequeños pueden ser estos dispositivos y trabajar para incorporarlos de manera efectiva en sistemas cuánticos. Más allá de las fuentes de luz a nanoescala, el proceso también abre otras oportunidades para desarrollar nanodispositivos en chips basados en haluro perovskita.
Su técnica también proporciona una manera más fácil para que los investigadores estudien materiales a nivel de nanocristales individuales, lo que esperan que inspire a otros a realizar estudios adicionales sobre estos y otros materiales únicos.
"El estudio de materiales a nanoescala mediante métodos de alto rendimiento a menudo requiere que los materiales estén localizados con precisión y diseñados a esa escala", añade Jastrzebska-Perfect. "Al proporcionar ese control localizado, nuestra técnica puede mejorar la forma en que los investigadores investigan y ajustan las propiedades de los materiales para diversas aplicaciones".
Más información: Crecimiento in situ de matrices de nanocristales de perovskita para nanodispositivos integrados, Nature Communications (2023). dx.doi.org/10.1038/s41467-023-39488-0
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts
