Investigadores de la Universidad McGill han obtenido una nueva perspectiva sobre el funcionamiento de las perovskitas, un material semiconductor que muestra una gran promesa para fabricar células solares de alta eficiencia y bajo costo y una variedad de otros dispositivos ópticos y electrónicos.

Las perovskitas han llamado la atención durante la última década debido a su capacidad para actuar como semiconductores incluso cuando hay defectos en la estructura cristalina del material. Esto hace que las perovskitas sean especiales porque hacer que la mayoría de los otros semiconductores funcionen bien requiere técnicas de fabricación estrictas y costosas para producir cristales que estén lo más libres de defectos posible. En lo que equivale al descubrimiento de un nuevo estado de la materia, el equipo de McGill ha dado un paso adelante al desvelar el misterio de cómo las perovskitas logran este truco.

“Históricamente, la gente ha estado usando semiconductores a granel que son cristales perfectos. Y ahora, de repente, este cristal blando e imperfecto comienza a funcionar para aplicaciones de semiconductores, desde energía fotovoltaica hasta LED ”, explica el autor principal Patanjali Kambhampati , profesor asociado en el Departamento de Química de McGill. «Ese es el punto de partida de nuestra investigación: ¿cómo puede funcionar perfectamente algo defectuoso?».

 

Puntos cuánticos, pero no como los conocemos

En un artículo publicado el 26 de mayo en Physical Review Research , los investigadores revelan que un fenómeno conocido como confinamiento cuántico ocurre dentro de los cristales de perovskita a granel. Hasta ahora, el confinamiento cuántico solo se había observado en partículas de unos pocos nanómetros de tamaño. Cuando las partículas son tan pequeñas, sus dimensiones físicas restringen el movimiento de los electrones de una manera que les da propiedades claramente diferentes a las de piezas más grandes del mismo material, propiedades que pueden ajustarse para producir efectos útiles como la emisión de luz en colores precisos.

Usando una técnica conocida como espectroscopia de bomba/sonda de resolución de estado, los investigadores han demostrado que ocurre un tipo similar de confinamiento en los cristales de perovskita de bromuro de plomo y cesio a granel. En otras palabras, sus experimentos han descubierto un comportamiento similar al de un punto cuántico que tiene lugar en piezas de perovskita significativamente más grandes que los puntos cuánticos.

 

El resultado sorprendente conduce a un descubrimiento inesperado

El trabajo se basa en investigaciones anteriores que establecieron que las perovskitas, aunque parecen ser una sustancia sólida a simple vista, tienen ciertas características más comúnmente asociadas con los líquidos. En el corazón de esta dualidad líquido-sólido hay una red atómica capaz de distorsionarse en respuesta a la presencia de electrones libres. Kambhampati hace una comparación con un trampolín que absorbe el impacto de una piedra lanzada en su centro. Así como el trampolín eventualmente paralizará la roca, se entiende que la distorsión de la red cristalina de perovskita, un fenómeno conocido como formación de polarones, tiene un efecto estabilizador sobre el electrón.

Si bien la analogía del trampolín sugeriría una disipación gradual de energía consistente con un sistema que pasa de un estado excitado a uno más estable, los datos de espectroscopía bomba/sonda, de hecho, revelaron lo contrario. Para sorpresa de los investigadores, sus mediciones mostraron un aumento general de energía como consecuencia de la formación del polarón.

«El hecho de que la energía se elevó muestra un nuevo efecto mecánico cuántico, el confinamiento cuántico como un punto cuántico», dice Kambhampati, explicando que, en la escala de tamaño de los electrones, la roca en el trampolín es un excitón, el emparejamiento ligado de un electrón con el espacio que deja atrás cuando está en un estado excitado.

“Lo que hace el polarón es confinar todo en un área espacialmente bien definida. Una de las cosas que nuestro grupo pudo mostrar es que el polarón se mezcla con un excitón para formar lo que parece un punto cuántico. En cierto sentido, es como un punto cuántico líquido, que es algo que llamamos gota cuántica. Esperamos que la exploración del comportamiento de estas gotas cuánticas dé lugar a una mejor comprensión de cómo diseñar materiales optoelectrónicos tolerantes a defectos”.

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