Las luces y monitores LED, y los paneles solares de calidad nacieron de una revolución en los semiconductores que convierten eficientemente la energía en luz o viceversa. Ahora, los materiales semiconductores de próxima generación están en el horizonte, y en un nuevo estudio, los investigadores han descubierto excéntricosfísica detrás de su potencial para transformar la tecnología de iluminación y la energía fotovoltaica una vez más.
Comparar las propiedades cuánticas de estos llamados semiconductores híbridos emergentes con las de sus predecesores establecidos es casi como comparar el Ballet Bolshoi con los saltos. Grupos de partículas cuánticas giran a través de los materiales emergentes, creando, con facilidad, optoelectrónica altamente deseableluz electrónica, según un equipo de químicos físicos dirigido por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia.
Estas mismas propiedades no son prácticas para lograr en semiconductores establecidos.
Las partículas que se mueven a través de estos nuevos materiales también involucran al material en la acción cuántica, similar a los bailarines que tientan al piso a bailar con ellos. Los investigadores pudieron medir patrones en el material causado por el baile y relacionarlos con el emergentepropiedades cuánticas del material y la energía introducida en el material.
Estas ideas podrían ayudar a los ingenieros a trabajar productivamente con la nueva clase de semiconductores.
semiconductores inusualmente flexibles
La capacidad del material emergente para albergar diversos movimientos de partículas cuánticas excéntricas, análogos a los bailarines, está directamente relacionada con su flexibilidad inusual a nivel molecular, análoga a la pista de baile que se une a los bailes. Por el contrario, los semiconductores establecidos tienen rígidos,estructuras moleculares rectas que dejan el baile en partículas cuánticas.
La clase de semiconductores híbridos que los investigadores examinaron se llama perovskita orgánico-inorgánica de haluro HOIP, que se explicará con más detalle en la parte inferior junto con la designación de semiconductor "híbrido", que combina una red cristalina, común en semiconductores,- Con una capa de material innovador y flexible.
Más allá de su promesa de luminosidad única y eficiencia energética, los HOIP son fáciles de producir y aplicar.
pintarlos
"Una ventaja convincente es que los HOIP se fabrican a bajas temperaturas y se procesan en solución", dijo Carlos Silva, profesor de la Facultad de Química y Bioquímica de Georgia Tech. "Se necesitan mucha menos energía para fabricarlos, y se puede hacer grandelotes ". Silva co-dirigió el estudio junto a Ajay Ram Srimath Kandada de Georgia Tech y el Istituto Italiano di Tecnologia.
Se necesitan altas temperaturas para fabricar la mayoría de los semiconductores en pequeñas cantidades, y son rígidos para aplicar en superficies, pero los HOIP se pueden pintar para hacer LED, láser o incluso vidrio de ventana que podría brillar en cualquier color, desde aguamarina hasta fucsia.con HOIP puede requerir muy poca energía, y los fabricantes de paneles solares podrían aumentar la eficiencia de la energía fotovoltaica y reducir los costos de producción.
El equipo dirigido por Georgia Tech incluyó investigadores de la Université de Mons en Bélgica y el Istituto Italiano di Tecnologia. Los resultados se publicaron el 14 de enero de 2019 en la revista Materiales de la naturaleza . El trabajo fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., EU Horizonte 2020, el Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá, el Fond Québécois pour la Recherche y la Oficina Federal de Política Científica de Bélgica.
gatos de salto cuántico
Los semiconductores en dispositivos optoelectrónicos pueden convertir la luz en electricidad o la electricidad en luz. Los investigadores se concentraron en los procesos relacionados con este último: emisión de luz.
El truco para lograr que un material emita luz es, en términos generales, aplicar energía a los electrones en el material, de modo que tomen un salto cuántico desde sus órbitas alrededor de los átomos y luego emitan esa energía como luz cuando regresen alas órbitas que habían desocupado. Los semiconductores establecidos pueden atrapar electrones en áreas del material que limitan estrictamente el rango de movimiento de los electrones y luego aplicar energía a esas áreas para hacer que los electrones hagan saltos cuánticos al unísono para emitir luz útil cuando bajan al unísono.
"Estos son pozos cuánticos, partes bidimensionales del material que confinan estas propiedades cuánticas para crear estas propiedades particulares de emisión de luz", dijo Silva.
excitación imaginaria de partículas
Existe una forma potencialmente más atractiva de producir la luz, y es la fuerza central de los nuevos semiconductores híbridos.
Un electrón tiene una carga negativa, y una órbita que desocupa después de haber sido excitada por la energía es una carga positiva llamada agujero electrónico. El electrón y el agujero pueden girar uno alrededor del otro formando una especie de partícula imaginaria, o cuasipartícula, llamadaun exciton.
"La atracción positiva-negativa en un excitón se llama energía de unión, y es un fenómeno de muy alta energía, lo que lo hace ideal para la emisión de luz", dijo Silva.
Cuando el electrón y el agujero se reúnen, eso libera la energía de unión para producir luz. Pero, por lo general, los excitones son muy difíciles de mantener en un semiconductor.
"Las propiedades excitónicas en los semiconductores convencionales solo son estables a temperaturas extremadamente frías", dijo Silva. "Pero en HOIP las propiedades excitónicas son muy estables a temperatura ambiente".
giro de cuasipartículas adornado
Los excitones se liberan de sus átomos y se mueven alrededor del material. Además, los excitones en un HOIP pueden girar alrededor de otros excitones, formando cuasipartículas llamadas biexcitones. Y hay más.
Los excitones también giran alrededor de los átomos en la red material. De la misma manera que un electrón y un agujero electrónico crean un excitón, este giro del excitón alrededor de un núcleo atómico da lugar a otra cuasipartícula llamada polaron. Toda esa acción puede resultar enexcitones en transición a los polarones de regreso. Incluso se puede hablar de algunos excitones que adquieren un matiz "polarónico".
Para agravar todas esas dinámicas está el hecho de que los HOIP están llenos de iones cargados positiva y negativamente. La ornamentación de estas danzas cuánticas tiene un efecto general sobre el material mismo.
los patrones de onda resuenan
La participación poco común de los átomos del material en estas danzas con electrones, excitones, biexcitones y polarones crea hendiduras repetitivas a nanoescala en el material que son observables como patrones de onda y que cambian y cambian con la cantidad de energía agregada al material.
"En un estado fundamental, estos patrones de onda se verían de cierta manera, pero con energía adicional, los excitones hacen las cosas de manera diferente. Eso cambia los patrones de onda, y eso es lo que medimos", dijo Silva. "La observación clave en elEl estudio es que el patrón de onda varía con los diferentes tipos de excitones excitón, biexcitón, polarónico / menos polarónico ".
Las hendiduras también agarran los excitones, disminuyendo su movilidad a través del material, y todas estas dinámicas adornadas pueden afectar la calidad de la emisión de luz.
sandwich de banda de goma
El material, una perovskita orgánico-inorgánica de haluro, es un sándwich de dos capas de celosía de cristal inorgánico con algo de material orgánico entre ellas, lo que convierte a los HOIP en un material híbrido orgánico-inorgánico. La acción cuántica ocurre en las celosías de cristal.
La capa orgánica en el medio es como una lámina de gomas que hace que las redes cristalinas se conviertan en una pista de baile tambaleante pero estable. Además, los HOIP se unen con muchos enlaces no covalentes, lo que hace que el material sea blando.
Las unidades individuales del cristal toman una forma llamada perovskita, que es una forma de diamante muy uniforme, con un metal en el centro y halógenos como cloro o yodo en los puntos, por lo tanto, "haluro". Para este estudio, los investigadores utilizaronUn prototipo 2D con la fórmula PEA 2PbI4.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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