Los científicos dirigidos por la Universidad de Rice y el Laboratorio Nacional de Los Alamos han descubierto propiedades electrónicas en dispositivos de escala cuántica que probablemente impacten el creciente campo de la optoelectrónica basada en perovskita de bajo costo.
en acceso abierto Comunicaciones de la naturaleza artículo, investigadores dirigidos por los científicos de Los Álamos Aditya Mohite y Jean-Christophe Blancon, quienes se unirán a Rice este verano, estudiaron el comportamiento de los excitones atrapados en pozos cuánticos hechos de compuestos de perovskita a base de haluro cristalino.
Como resultado, pudieron crear una escala mediante la cual los laboratorios pueden determinar la energía de unión de los excitones y, por lo tanto, las estructuras de separación de banda, en pozos cuánticos de perovskita de cualquier grosor. Esto a su vez podría ayudar en el diseño fundamental del próximo-generación de materiales semiconductores.
Los dispositivos optoelectrónicos bien basados en perovskita cuántica convierten y controlan la luz a escala cuántica, reacciones por debajo de 100 nanómetros que siguen reglas diferentes de las dictadas por la mecánica clásica.
Las células solares que convierten la luz en electricidad son dispositivos optoelectrónicos. También lo son los dispositivos que convierten la electricidad en luz, incluidos los diodos emisores de luz LED y los ubicuos láseres de semiconductores que alimentan a los lectores de códigos de barras, impresoras láser, reproductores de discos y otras tecnologías.El paso hacia la maximización de su eficiencia tendrá un gran impacto, según los investigadores.
Los excitones en el centro de su investigación son cuasipartículas eléctricamente neutras que solo existen cuando los electrones y los agujeros de electrones se unen en un sólido aislante o semiconductor, como los pozos cuánticos utilizados para atrapar las partículas para el estudio.
Los pozos cuánticos utilizados en el estudio fueron sintetizados por el laboratorio químico de la Universidad de Northwestern Mercouri Kanatzidis y el Laboratorio Mohite. Se basaron en compuestos de perovskita con una estructura en capas particular conocida como fase Ruddlesden-Popper RPP. Esta clase de materialestiene propiedades electrónicas y magnéticas únicas y ha encontrado uso en baterías de metal-aire.
"Comprender la naturaleza de los excitones y generar una ley de escala general para la energía de unión a los excitones es el primer paso fundamental requerido para el diseño de cualquier dispositivo optoelectrónico, como células solares, láseres o detectores", dijo Mohite, quien se convertirá en asociadoprofesor de ingeniería química y biomolecular en Rice.
Anteriormente, los investigadores descubrieron que podían ajustar la resonancia de los excitones y los portadores libres dentro de las capas de perovskita de RPP al cambiar su grosor atómico. Eso parecía cambiar la masa de los excitones, pero los científicos no podían medir el fenómeno hasta ahora.
"Variar el grosor de estos semiconductores nos dio una comprensión fundamental de la física cuasidimensional, intermedia entre materiales 2D monocapa y materiales 3D", dijo el autor principal Blancon, actualmente científico investigador en Los Alamos. "Lo logramos para elprimera vez en materiales no sintéticos "
El investigador científico de Los Alamos, Andreas Stier, probó los pozos bajo un campo magnético de 60 teslas para sondear directamente la masa efectiva de los excitones, una característica clave para modelar los excitones y comprender el transporte de energía en los materiales de perovskita 2D.
Llevar las muestras a Rice permitió a los investigadores exponerlas simultáneamente a temperaturas ultrabajas, campos magnéticos elevados y luz polarizada, una capacidad ofrecida solo por un espectroscopio único, el imán avanzado Rice con óptica de banda ancha RAMBO, supervisado por co-autor y físico Junichiro Kono.
La espectroscopía óptica avanzada realizada por Blancon en Los Alamos una capacidad que pronto estará disponible en Rice en el laboratorio de Mohite ofreció una sonda directa de las transiciones ópticas dentro de los RPP para derivar las energías de unión al excitón, que es la base del avanceLey de escala de excitones con espesor de pozo cuántico descrito en el artículo.
Al comparar sus resultados con el modelo computacional diseñado por Jacky Even, profesor de física en INSA Rennes, Francia, los investigadores determinaron que la masa efectiva de los excitones en los pozos cuánticos de perovskita de hasta cinco capas es aproximadamente dos veces mayor que en susContraparte masiva 3D.
A medida que se acercaban a las cinco capas 3.1 nanómetros, dijo Blancon, la energía de unión entre los electrones y los agujeros se redujo significativamente, pero aún era más grande que 100 voltios de mili-electrones, haciéndolos lo suficientemente robustos para explotar a temperatura ambiente. Por ejemplo, dijo, eso permitiría el diseño de dispositivos emisores de luz eficientes con capacidad de ajuste de color.
Los datos combinados de modelos experimentales y de computadora les permitieron crear una escala que predice la energía de unión del excitón en perovskitas 2D o 3D de cualquier grosor. Los investigadores encontraron que los pozos cuánticos de perovskita de más de 20 átomos de espesor aproximadamente 12 nanómetros pasaron del excitón cuántico areglas clásicas de portador libre que normalmente se ven en las perovskitas 3D a temperatura ambiente.
"Esta fue una gran oportunidad para nosotros para demostrar las capacidades únicas de RAMBO para su uso en la investigación de materiales de alto impacto", dijo Kono. "Con un excelente acceso óptico, este sistema de imán pulsado basado en mini bobina nos permite realizar variostipos de experimentos de espectroscopía óptica en campos magnéticos altos de hasta 30 tesla ".
Los investigadores notaron que aunque los experimentos se llevaron a cabo a temperaturas muy frías, lo que observaron también debería aplicarse a la temperatura ambiente.
"Este trabajo representa un resultado fundamental y no intuitivo en el que determinamos un comportamiento de escala universal para las energías de unión al excitón en las perovskitas híbridas 2D Ruddlesden-Popper", dijo Mohite. "Esta es una medida fundamental que se ha mantenido esquiva durante varias décadas, pero suel conocimiento es crítico antes del diseño de cualquier dispositivo optoelectrónico basado en esta clase de materiales y puede tener implicaciones en el futuro para el diseño de, por ejemplo, diodos láser de umbral cero y hetero material multifuncional para optoelectrónica ".
Otros coautores del artículo son el estudiante graduado de Rice Hsinhan Tsai, también de Los Alamos; Fumiya Katsutani y Timothy Noe de Rice; Wanyi Nie, Sergei Tretiak, Scott Crooker y Jared Crochet de Los Alamos; Constantinos Stoumpos de la Universidad Northwestern;y Boubacar Traore, Laurent Pedesseau, Mikael Kepenekian y Claudine Katan de la Universidad de Rennes, Francia. Kanatzidis es el profesor de química Charles E. y Emma H. Morrison en Northwestern. Kono es profesor de ingeniería eléctrica e informática, física yastronomía y ciencia de materiales y nanoingeniería.
La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía, la Fundación Nacional de Ciencias, el Estado de Florida, la Oficina de Investigación Naval, la Agencia Nacional de Investigación de Francia, la Fundación Robert A. Welch y la Oficina de Investigación de Ciencias de la Fuerza Aérea.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Jade Boyd. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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