Apilar películas de material extremadamente delgadas una encima de la otra puede crear nuevos materiales con propiedades nuevas e interesantes. Pero los procesos más exitosos para construir esas pilas pueden ser tediosos e imperfectos, y no son adecuados para la producción a gran escala.
Ahora, un equipo dirigido por la profesora de Stanford Hemamala Karunadasa ha creado una forma mucho más simple y rápida de hacerlo. Crecieron capas 2D de uno de los materiales más buscados, conocidos como perovskitas, intercalados con capas delgadas de otros materiales en grandescristales que se ensamblan.
El ensamblaje se lleva a cabo en viales donde los ingredientes químicos de las capas caen en el agua, junto con moléculas en forma de barra que dirigen la acción. Cada extremo de una barra lleva una plantilla para hacer crecer un tipo de capa. A medida que las capas se cristalizan- un proceso similar a hacer caramelo de roca - las barras las unen automáticamente en el orden correcto.
"Lo que es realmente genial es que estos materiales en capas complejas cristalizan espontáneamente", dijo Michael Aubrey, quien era investigador postdoctoral en el laboratorio de Karunadasa en el momento del estudio.
Los investigadores dicen que su método sienta las bases para hacer una amplia gama de semiconductores complejos de una manera mucho más deliberada, incluidas combinaciones de materiales que no se sabe que se emparejen en cristales antes. Describieron el trabajo en un artículo publicado en Naturaleza hoy.
"Estamos muy entusiasmados con esta estrategia general que se puede expandir a tantos tipos de materiales", dijo Karunadasa, quien es investigadora del Instituto Stanford de Ciencias de Materiales y Energía SIMES en el Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía.Laboratorio.
"En lugar de manipular los materiales de una capa a la vez", dijo, "simplemente arrojamos los iones en una olla con agua y dejamos que los iones se ensamblen de la manera que ellos quieren. Podemos hacer gramos de estas cosas ysabemos dónde están los átomos en los cristales. Este nivel de precisión me permite saber cómo se ven realmente las interfaces entre las capas, lo cual es importante para determinar la estructura electrónica del material, cómo se comportan sus electrones "
Fácil de hacer, difícil de apilar
Las perovskitas de haluro, materiales que tienen la misma estructura octaédrica que los minerales de perovskita naturales, se han ensamblado en agua desde la década de 1900, dijo Aubrey. Tienen un gran potencial para absorber eficientemente la luz solar en las células solares y convertirla en electricidad., pero también son notoriamente inestables, especialmente en los entornos cálidos y brillantemente iluminados en los que operan los fotovoltaicos.
La capa de perovskitas con otros materiales podría combinar sus propiedades de manera que mejoren su rendimiento en aplicaciones específicas. Pero una perspectiva aún más emocionante es que podrían surgir propiedades completamente nuevas e inesperadas en las interfaces donde las capas se unen; por ejemplo, los científicos han descubierto previamenteque apilar películas delgadas de dos tipos diferentes de aisladores puede crear un conductor eléctrico.
Es difícil predecir qué combinaciones de materiales resultarán interesantes y útiles. Además, la fabricación de materiales en capas delgadas ha sido un proceso lento y minucioso. Las capas generalmente se fabrican pelando películas de solo uno o dos átomos de espesor, uno enuna vez, a partir de una gran cantidad de material. Así es como se hace el grafeno a partir del grafito, una forma pura de carbono que se usa en las minas de los lápices. En otros casos, estos materiales en capas delgadas se fabrican en pequeños lotes a temperaturas muy altas.
"La forma en que están hechos no ha sido escalable y, a veces, incluso difícil de reproducir de un lote a otro", dijo Karunadasa. "Despegar capas que tienen solo uno o dos átomos de espesor es un trabajo especializado; no es algo quey puedo ir al laboratorio y hacerlo. Estas hojas son como una baraja de cartas muy flexible; cuando sacas una, puede arrugarse o doblarse. Por lo tanto, es difícil saber la estructura exacta de la pila final.muy pocos precedentes de materiales que se parecen a los que creamos en este estudio ".
síntesis de caramelo de roca
Este trabajo surgió de la investigación del coautor del estudio Abraham Saldivar Valdés, un estudiante graduado del grupo de Karunadasa en ese momento. A lo largo de varios años, desarrolló el nuevo método para hacer que las estructuras en capas se ensamblaran por sí mismas, que fueampliado por la estudiante de posgrado Bridget Connor. Mientras tanto, Aubrey descubrió que sus capas atómicamente delgadas tenían la misma estructura que los bloques 3D de materiales similares cuyas propiedades ya se conocían, y rastreó cómo las dos capas diferentes tienen que distorsionarse ligeramente para compartir una interfaz.También estudió las propiedades ópticas de los productos finales con la ayuda del estudiante graduado Kurt Lindquist.
Crear las estructuras en capas "es exactamente el mismo proceso que hacer caramelos de roca, en el que se coloca una clavija de madera en una solución de azúcar saturada y los cristales de caramelo se siembran en la clavija", dijo Aubrey. "Pero en este caso los materiales de partida sondiferente y no necesita una clavija: los cristales comenzarán a formarse en el agua o en la superficie del vial de vidrio ".
El equipo fabricó seis de los materiales autoensamblados, intercalando perovskitas con haluros metálicos o sulfuros metálicos, y los examinó con rayos X en la fuente de luz avanzada del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE.
En la mayoría de las estructuras, las moléculas de barra mantenían las capas ligeramente separadas. Pero en una de ellas, las moléculas de barra ponían las capas directamente en contacto entre sí para que pudieran formar enlaces químicos.
"Estamos particularmente entusiasmados con este tipo de estructura donde las capas están conectadas porque podría conducir a propiedades emergentes, como excitaciones electrónicas que se distribuyen en ambas capas", dijo Karunadasa.
"Y en este caso particular, cuando golpeamos el material con luz para liberar electrones y crear huecos cargados positivamente, encontramos los electrones principalmente en un tipo de capa y los huecos principalmente en el otro. Esto es importante en nuestro campo,porque le permite ajustar esos dos entornos para obtener el comportamiento electrónico que desea ".
Con la nueva técnica en la mano, Aubrey dijo: "Estamos haciendo mucha exploración ahora para descubrir qué tipo de estructuras se pueden hacer con ella".
Marina Filip y Jeffrey Neaton de la Universidad de California, Berkeley y Berkeley Lab realizaron los cálculos de la estructura electrónica en este trabajo. Esta investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del DOE. ALS es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias, al igual que otras dosinstalaciones donde se realizó la computación para esta investigación: el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación en Energía NERSC y la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge.
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