octubre 18, 2021

Perovskita de haluro, un paso a nuevos semiconductores

Los químicos de UC Berkeley crearon un tipo de cristal de perovskita de haluro que emite luz azul, algo que ha sido difícil de lograr con el nuevo material de moda. Pero los investigadores también encontraron que estos materiales son inherentemente inestables, lo que requiere un control cuidadoso de la temperatura y el entorno químico para mantener su color preciso.

La estructura cristalina de las perovskitas de haluro cambia con la temperatura, la humedad y el entorno químico, alterando sus propiedades ópticas y electrónicas
Un mineral de perovskita (titanato de calcio) de Kusa.

Los científicos de la Universidad de California, Berkeley, han creado un diodo emisor de luz (LED) azul a partir de un nuevo material semiconductor de moda, perovskita de haluro, superando una barrera importante para emplear estos materiales baratos y fáciles de fabricar en dispositivos electrónicos.

Sin embargo, en el proceso, los investigadores descubrieron una propiedad fundamental de las perovskitas de haluro que puede resultar una barrera para su uso generalizado como células solares y transistores.

Alternativamente, esta propiedad única puede abrir un mundo completamente nuevo para las perovskitas mucho más allá de los semiconductores estándar actuales.

La estructura cristalina de la perovskita de haluro cambia con la temperatura, la humedad y el entorno químico

La estructura cristalina de las perovskitas de haluro cambia con la temperatura, la humedad y el entorno químico, alterando sus propiedades ópticas y electrónicas. Sin un control estricto del entorno físico y químico, los dispositivos de perovskita son inherentemente inestables. Este no es un problema importante para los semiconductores tradicionales.

La estructura cristalina de las perovskitas de haluro cambia con la temperatura, la humedad y el entorno químico, alterando sus propiedades ópticas y electrónicas
Estructura de una perovskita de fórmula química ABX3. Las esferas rojas son átomos X (normalmente oxígenos), las esferas azules son átomos B (un catión metálico más pequeño, como Ti4+), y las esferas verdes son átomos A (un catión metálico más grande, como Ca2+). En la imagen se muestra la estructura cúbica no distorsionada

“Algunas personas pueden decir que esto es una limitación. Para mí, esta es una gran oportunidad ”, dijo Yang, la Cátedra Distinguida de Energía de SK y Angela Chan en la Facultad de Química y directora del Instituto Kavli Energy NanoSciences. “Esta es una nueva física: una nueva clase de semiconductores que se pueden reconfigurar fácilmente, dependiendo del tipo de entorno en el que los coloques. Podrían ser un sensor realmente bueno, tal vez un fotoconductor realmente bueno, porque serán muy sensibles en su respuesta a la luz y los productos químicos «.

Los semiconductores actuales hechos de silicio o nitruro de galio son muy estables en un rango de temperaturas, principalmente porque sus estructuras cristalinas se mantienen unidas por fuertes enlaces covalentes. Los cristales de perovskita de haluro se mantienen unidos por enlaces iónicos más débiles, como los de un cristal de sal. Esto significa que son más fáciles de hacer, se pueden evaporar con una solución simple, pero también son susceptibles a la humedad, el calor y otras condiciones ambientales.

El blues del diodo azul

Fabricar diodos semiconductores que emitan luz azul siempre ha sido un desafío, dijo Yang. El Premio Nobel de Física 2014 se otorgó por la creación innovadora de diodos emisores de luz azul eficientes a partir de nitruro de galio. Los diodos, que emiten luz cuando una corriente eléctrica fluye a través de ellos, son componentes optoelectrónicos en circuitos de fibra óptica, así como luces LED de uso general.

La estructura cristalina de la perovskita de haluro que emite azul cambia con el calentamiento de la temperatura ambiente, 300 Kelvin, a 450 Kelvin, la temperatura de funcionamiento típica de un dispositivo electrónico. El cambio estructural altera la longitud de onda de la luz, cambiándola de azul a azul verdoso, una inestabilidad inaceptable en la electrónica.

La estructura cristalina de la perovskita de haluro que emite azul cambia con el calentamiento de la temperatura ambiente, 300 Kelvin, a 450 Kelvin
Créditos de imagen: Peidong Yang, UC Berkeley

Como descubrieron Yang y sus colegas, esto se debe a la naturaleza única de la estructura cristalina de las perovskitas. Las perovskitas de haluro están compuestas de un metal, como plomo o estaño, igual número de átomos más grandes, como cesio, y tres veces el número de átomos de haluro, como cloro, bromo o yodo.

Cuando estos elementos se mezclan en solución y luego se secan, los átomos se ensamblan en un cristal, al igual que la sal cristaliza en el agua de mar. Usando una nueva técnica y los ingredientes cesio, plomo y bromo, los químicos de UC Berkeley y Berkeley Lab crearon cristales de perovskita que emiten luz azul y luego los bombardearon con rayos X en el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) para determinar su estructura cristalina en varias temperaturas.

Cambio en la estructura del cristal

Descubrieron que, cuando se calienta desde la temperatura ambiente (alrededor de 300 Kelvin) a alrededor de 450 Kelvin, una temperatura de funcionamiento común para los semiconductores, la estructura aplastada del cristal se expandió y finalmente saltó a una nueva configuración ortorrómbica o tetragonal.

Dado que la luz emitida por estos cristales depende de la disposición y las distancias entre los átomos, el color también cambia con la temperatura. Un cristal de perovskita que emitió luz azul (450 nanómetros de longitud de onda) a 300 Kelvin emitió repentinamente luz azul verdosa a 450 Kelvin.

Yang atribuye la estructura cristalina flexible de las perovskitas a los enlaces iónicos más débiles típicos de los átomos de haluro. La perovskita mineral natural incorpora oxígeno en lugar de haluros, produciendo un mineral muy estable. Los semiconductores de nitruro de galio y de silicio son igualmente estables porque los átomos están unidos por fuertes enlaces covalentes.

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