La Universidad de California, Berkeley, los científicos han creado un diodo emisor de luz LED azul a partir de un nuevo material semiconductor moderno, perovskita de haluro, superando una barrera importante para el empleo de 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 ser 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.
en un artículo que aparece el 24 de enero en el diario Avances científicos , el químico de UC Berkeley Peidong Yang y sus colegas muestran que 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 cercano del entorno físico y químico, los dispositivos de perovskita soninherentemente inestable. Este no es un problema importante para los semiconductores tradicionales.
"Algunas personas pueden decir que esto es una limitación. Para mí, esta es una gran oportunidad", dijo Yang, el Presidente Distinguido SK y Angela Chan en Energía del Colegio de Química y director del Instituto de Nanociencias de Energía Kavli ".es una nueva física: una nueva clase de semiconductores que pueden reconfigurarse fácilmente, dependiendo del tipo de entorno en el que los coloquen. Podrían ser un sensor realmente bueno, tal vez un fotoconductor realmente bueno, porque serán muy sensibles en su respuesta aluz y 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 están 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 de una solución simple, pero también son susceptibles a la humedad, el calor y otras condiciones ambientales.
"Este documento no se trata solo de mostrar que fabricamos este LED azul", dijo Yang, quien es un científico senior en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley ".También le estamos diciendo a la gente que realmente debemos prestar atención a la evolución estructural de las perovskitas durante la operación del dispositivo, cada vez que maneje estas perovskitas con una corriente eléctrica, ya sea un LED, una célula solar o un transistor.propiedad de esta nueva clase de semiconductores y afecta a cualquier dispositivo optoelectrónico potencial en el futuro usando esta clase de material ".
El azul del diodo azul
La fabricación de diodos semiconductores que emiten luz azul siempre ha sido un desafío, dijo Yang. El Premio Nobel de Física 2014 fue otorgado por la creación innovadora de diodos emisores de luz azul eficientes a partir de nitruro de galio. Diodos, que emiten luz cuando hay una corriente eléctricafluye a través de ellos, son componentes optoelectrónicos en circuitos de fibra óptica, así como luces LED de uso general.
Dado que las perovskitas de haluro llamaron la atención por primera vez en 2009, cuando los científicos japoneses descubrieron que fabrican células solares altamente eficientes, estos cristales baratos y fáciles de fabricar han entusiasmado a los investigadores. Hasta ahora, se han demostrado los diodos emisores rojos y verdes, pero noazul. Los diodos emisores de azul de perovskita de haluro han sido inestables, es decir, su color cambia a longitudes de onda más largas y rojas con el uso.
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, un número igual de átomos más grandes, como el cesio, y tres veces elcantidad 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 del agua de mar. Usando una nueva técnica y los ingredientes cesio, plomo y bromo, se crearon los químicos de UC Berkeley y Berkeley LabLos cristales de perovskita que emiten luz azul y luego los bombardean con rayos X en el Centro Acelerador Lineal de Stanford SLAC para determinar su estructura cristalina a varias temperaturas. Descubrieron que, cuando se calientan a 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 se convirtió en 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 cambió con la temperatura. Un cristal de perovskita que emitía luz azul 450 nanómetros de longitud de onda a 300 Kelvin de repente emitió luz azul-verde a450 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 a base de silicio y nitruro de galio son igualmente estables porque los átomos están unidospor fuertes enlaces covalentes.
Fabricación de perovskitas que emiten azul
Según Yang, los diodos de perovskita que emiten azul han sido difíciles de crear porque la técnica estándar de hacer crecer los cristales como una película delgada fomenta la formación de estructuras de cristales mixtos, cada uno de los cuales emite a una longitud de onda diferente. Los electrones se canalizan hacia esoscristales con el intervalo de banda más pequeño, es decir, el rango más pequeño de energías no permitidas, antes de emitir luz, que tiende a ser roja.
Para evitar esto, los becarios posdoctorales y los coprimeros autores de Yang, Hong Chen, Jia Lin y Joohoon Kang, cultivaron cristales de perovskita en capas individuales y, adaptando un método de baja tecnología para crear grafeno, usaron cinta para despegaruna sola capa de perovskita uniforme. Cuando se incorporó a un circuito y se sacudió con electricidad, la perovskita brilló en azul. La longitud de onda azul real varió con el número de capas de cristales de perovskita octaédrica, que están separadas entre sí por una capa de moléculas orgánicas quepermite una fácil separación de las capas de perovskita y también protege la superficie.
Sin embargo, los experimentos de SLAC mostraron que las perovskitas de emisión azul cambiaron sus colores de emisión con la temperatura. Esta propiedad puede tener aplicaciones interesantes, dijo Yang. Hace dos años, demostró una ventana hecha de perovskita de haluro que se oscurece al sol ytransparente cuando se pone el sol y también produce energía fotovoltaica.
"Necesitamos pensar en diferentes formas de usar esta clase de semiconductores", dijo. "No debemos colocar las perovskitas de haluro en el mismo entorno de aplicación que un semiconductor covalente tradicional, como el silicio. Debemos darnos cuenta de que esta clase deel material tiene propiedades estructurales intrínsecas que lo hacen listo para reconfigurarse. Deberíamos utilizarlo ".
El trabajo fue apoyado por el programa de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU. Otros coautores del artículo son Qiao Kong, Dylan Lu, Minliang Lai, Li Na Quan y Jianbo Jin de UC Berkeley; Jun Kang, Zhenni Lin yLin-wang Wang de Berkeley Lab; y Michael Toney de SLAC. Chen se encuentra actualmente en la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur en Shenzhen, China; Lin está en la Universidad de Energía Eléctrica de Shanghai; y Joohoon Kang está en la Universidad Sungkyunkwan en Seúl, Corea del Sur.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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