Algunos materiales novedosos que suenan demasiado bien para ser verdad resultan ser verdaderos y buenos. Una clase emergente de semiconductores, que podría iluminar de manera asequible nuestro futuro con colores matizados que emanan de láseres, lámparas e incluso vidrios de ventanas, podría ser elúltimo ejemplo.
Estos materiales son muy radiantes, fáciles de procesar a partir de la solución y energéticamente eficientes. La inquietante pregunta de si las perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas HOIP realmente podrían funcionar recibió una respuesta muy afirmativa en un nuevo estudio internacional dirigido por químicos físicos.en el Instituto de Tecnología de Georgia.
Los investigadores observaron en un HOIP una "riqueza" de la física de semiconductores creada por lo que podría describirse como electrones bailando sobre bases químicas que se bambolean 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 graduado en Georgia Tech. "Desafía los modelos físicos que tenemos que tratar de explicares 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 de los semiconductores establecidos, molecularmente rígidos, muchos de ellos.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 Facultad de Química y Bioquímica de Georgia Tech. No todos los semiconductores también absorben y emiten bien la luz, pero los HOIP sí,haciéndolos optoelectrónicos y, por lo tanto, potencialmente útiles en láseres, LED, otras aplicaciones de iluminación y también en energía fotovoltaica.
La falta de rigidez a nivel molecular en los HOIP también influye en 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 de 2018, en la revista Materiales de revisión física . Su investigación fue financiada por EU Horizon 2020, el Consejo de Investigación en 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'
Por lo general, las propiedades semiconductoras surgen de redes cristalinas estáticas de átomos perfectamente interconectados. En el 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 redes no son estructuralmente muy complejas", dijo Silva. "Tienen solo un átomo de espesor y tienen propiedades bidimensionales estrictas, por lo que son mucho más rígidas".
"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 láminas planas infinitamente expansivas, y luego estas mismasSurgen propiedades optoelectrónicas interesantes y deseables. "
Estos materiales probados impresionan. Entonces, ¿por qué seguir HOIP, excepto para explorar su desconcertante física? Porque pueden ser más prácticos en aspectos importantes.
"Una de las ventajas convincentes es que todos se fabrican utilizando un procesamiento a baja temperatura a partir de soluciones", dijo Silva. "Se necesita mucha menos energía para fabricarlos".
Por el contrario, los materiales a base de grafeno se producen a altas temperaturas en pequeñas cantidades con las que puede ser tedioso trabajar ". Con este material HOIP, puede hacer grandes lotes en solución y cubrir una ventana completa con él si lo desea", dijo Silva.
Funhouse en un terremoto
A pesar de todo el bamboleo 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 muy específica similar a la de la perovskita". Perovskita se refiere a la forma de una celosía de cristal HOIP, que es un andamio en capas.
"La celosía se autoensambla", dijo Srimath Kandada, "y lo hace en una pila tridimensional hecha de capas de láminas bidimensionales. Pero los HOIP aún conservan esas deseables propiedades cuánticas 2D".
Esas láminas se mantienen unidas por capas intercaladas de otra estructura molecular que es un poco como una lámina de bandas elásticas. 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. Eso altera la red, 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 separada porcapas las partes similares a bandas de goma 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 cuadrada acrobática.
Por lo general, los electrones viven en una órbita alrededor del núcleo de un átomo o son compartidos por átomos en un enlace químico. Pero las redes químicas HOIP, como todos los semiconductores, están configuradas 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 vacías, se llaman agujeros de electrones y quieren que los electrones regresen.
"El agujero se considera una carga positiva y, por supuesto, el electrón tiene una carga negativa", dijo Silva. "Entonces, el agujero y el electrón se atraen entre sí".
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, aunque en realidad no son partículas.
luz de biexciton saltando
En los semiconductores, millones de excitones están correlacionados o coreografiados entre sí, lo que genera propiedades deseables cuando se aplica una fuente de energía como la electricidad o la luz láser. Además, los excitones pueden emparejarse para formar biexcitones, aumentando la energía del semiconductor.propiedades.
"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 energéticamente y emiten luz. Eso funcionaría no solo en láseres sino también en LED u otras superficies que utilicen el material optoelectrónico.
"Puedes ajustar la química de los HOIP para controlar el ancho entre los estados de biexciton, y eso 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.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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