Los científicos de materiales de la Universidad de Duke predijeron computacionalmente las propiedades eléctricas y ópticas de los semiconductores hechos de moléculas orgánicas extendidas intercaladas por estructuras inorgánicas.
Estos tipos de los llamados "perovskitas híbridos orgánicos-inorgánicos" en capas - o HOIP - son objetivos populares para dispositivos basados en luz como células solares y diodos emisores de luz LED. La capacidad de construir modelos precisos deestos materiales átomo por átomo permitirán a los investigadores explorar nuevos diseños de materiales para dispositivos de próxima generación.
Los resultados aparecieron en línea el 4 de octubre en Cartas de revisión física .
"Idealmente, nos gustaría poder manipular los componentes orgánicos e inorgánicos de este tipo de materiales de forma independiente y crear semiconductores con propiedades nuevas y predecibles", dijo David Mitzi, profesor de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales de la Familia Simon en Duke."Este estudio muestra que podemos igualar y explicar las propiedades experimentales de estos materiales a través de complejas simulaciones de supercomputadoras, lo cual es bastante emocionante".
Los HOIP son una clase prometedora de materiales debido a las fuerzas combinadas de sus piezas orgánicas e inorgánicas constituyentes. Los materiales orgánicos tienen propiedades ópticas más deseables y pueden ser flexibles, pero pueden ser ineficaces para transportar carga eléctrica. Por otro lado, las estructuras inorgánicas, suelen ser buenos para conducir electricidad y ofrecen una resistencia mecánica más robusta.
La combinación de ambos puede afectar sus propiedades individuales mientras se crean materiales híbridos con lo mejor de ambos mundos. Sin embargo, comprender las consecuencias electrónicas y a escala atómica de su interacción es un desafío en el mejor de los casos, ya que los cristales o películas resultantes pueden ser estructuralmente complejosPero debido a que estos HOIP particulares tienen sus componentes orgánicos e inorgánicos en capas bien ordenadas, sus estructuras son algo más fáciles de modelar, y los investigadores ahora están comenzando a tener éxito en la predicción computacional de sus comportamientos a nivel atómico.
"El enfoque computacional que usamos rara vez se ha aplicado a estructuras de este tamaño", dijo Volker Blum, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales y de química en Duke. "No podríamos haberlo hecho incluso hace solo 10 añosIncluso hoy, este trabajo no hubiera sido posible sin el acceso a una de las supercomputadoras más rápidas del mundo ".
Esa supercomputadora, llamada Theta, es actualmente la 21ª más rápida del mundo y reside en el Laboratorio Nacional Argonne. El grupo pudo ganar tiempo en el gigante a través de Blum asegurando uno de solo una docena de Theta Early Science Projects, dirigido aallanando el camino para que otras aplicaciones se ejecuten en el sistema lanzado por primera vez a fines de 2017. Ahora son coinvestigadores de uno de los prestigiosos premios "Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment" INCITE del Departamento de Energía, lo que les permite continuarsu trabajo.
En el nuevo estudio, Chi Liu, un estudiante graduado en el laboratorio de Blum; Yosuke Kanai, un compañero teórico en la Universidad de Carolina del Norte - Chapel Hill; y Álvaro Vázquez-Mayagoitia, un científico en el Laboratorio Nacional de Argonne, usaron la computación computacional de Thetapoder para modelar los estados electrónicos dentro de un HOIP en capas sintetizado por primera vez por Mitzi hace más de una década. Si bien las propiedades eléctricas y ópticas del material son bien conocidas, la física detrás de cómo emergen ha sido muy debatida.
El equipo ahora ha resuelto el debate.
En una serie de modelos computacionales, el equipo calcula los estados electrónicos y localiza la banda de valencia y la banda de conducción de los materiales constitutivos del HOIP, el bis aminoetil-adecuado ortofeno orgánico AE4T y el bromuro de plomo inorgánico PbBr4.las propiedades dictan cómo viajan los electrones a través y entre los dos materiales, lo que determina las longitudes de onda y las energías de luz que absorbe y emite, entre otras propiedades importantes como la conducción eléctrica.
Los resultados mostraron que los cálculos del equipo y las observaciones experimentales coinciden, lo que demuestra que los cálculos pueden modelar con precisión los comportamientos del material.
Liu luego fue más allá al ajustar los materiales, variando la longitud de la cadena molecular orgánica y sustituyendo el bromo por cloro o yodo en la estructura inorgánica, y ejecutando cálculos adicionales. En el lado experimental, Mitzi y su colaborador Wei You,profesor de química y ciencias físicas aplicadas en la Universidad de Carolina del Norte - Chapel Hill, están trabajando en la difícil tarea de sintetizar estas variaciones para verificar aún más los modelos teóricos de sus colegas.
El trabajo es parte de una iniciativa más grande llamada el proyecto HybriD3 destinado a descubrir y ajustar nuevos materiales semiconductores funcionales. El esfuerzo de colaboración cuenta con un total de seis equipos de investigadores. Unirse a los investigadores ubicados en la Universidad de Duke y la Universidad del NorteCarolina en Chapel Hill, los profesores Kenan Gundogdu y Franky So en la Universidad Estatal de Carolina del Norte están trabajando para caracterizar aún más los materiales realizados en el proyecto, así como para explorar prototipos de dispositivos emisores de luz.
"Al usar el mismo tipo de cálculo, ahora podemos intentar predecir las propiedades de materiales similares que aún no existen", dijo Mitzi. "Podemos completar los componentes y, suponiendo que la estructura no cambie radicalmente, proporcionar objetivos prometedores para que los científicos de materiales los persigan "
Esta capacidad permitirá a los científicos buscar más fácilmente mejores materiales para una amplia gama de aplicaciones. Para esta clase particular de materiales, que incluye iluminación y purificación de agua.
Las fuentes de luz inorgánicas generalmente están rodeadas de difusores para dispersar y suavizar su luz intensa y concentrada, lo que conduce a ineficiencias. Esta clase de HOIP en capas podría hacer películas que logren esto de forma más natural mientras desperdician menos luz. Para la purificación del agua, elel material podría adaptarse para emisiones eficientes de alta energía en el rango ultravioleta, que pueden usarse para matar bacterias.
"El objetivo más amplio del proyecto es descubrir el espacio material en esta clase de materiales en general, mucho más allá del tiofeno orgánico visto en este estudio", dijo Blum. "El punto clave es que hemos demostrado que podemoshacer estos cálculos a través de esta prueba de concepto. Ahora tenemos que trabajar para expandirlo ".
Este trabajo fue apoyado por la National Science Foundation DMR-1729297, DMR-1728921, DMR-11-21107 y el Departamento de Energía DE-AC02-06CH11357.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Original escrito por Ken Kingery. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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