p Os engenheiros da Rice University descobriram uma tecnologia que pode reduzir o custo das fontes de elétrons de semicondutores, componentes-chave em dispositivos que variam de óculos de visão noturna e câmeras de baixa luminosidade a microscópios eletrônicos e aceleradores de partículas. p Em um artigo de acesso aberto da Nature Communications, Pesquisadores de arroz e colaboradores do Laboratório Nacional de Los Alamos (LANL) descrevem o primeiro processo para fazer fontes de elétrons a partir de filmes finos de perovskita de haleto que convertem luz em elétrons livres de maneira eficiente.

p Os fabricantes gastam bilhões de dólares a cada ano em fontes de elétrons de fotocátodo feitas de semicondutores contendo elementos raros como o gálio, selênio, cádmio e telúrio.

p "Isso deve ter um custo muito menor do que o que existe hoje no mercado, "disse o co-autor do estudo Aditya Mohite, um cientista de materiais de arroz e engenheiro químico. Ele disse que as perovskitas de haleto têm o potencial de superar as fontes de elétrons semicondutores existentes de várias maneiras.

p "Primeiro, há a combinação de eficiência quântica e vida útil, "Mohite disse." Mesmo assim, era uma prova de conceito, e a primeira demonstração de perovskitas halogenadas como fontes de elétrons, a eficiência quântica era apenas cerca de quatro vezes menor do que a dos fotocátodos de arsenieto de gálio comercialmente disponíveis. E descobrimos que as perovskitas halogenadas têm uma vida útil mais longa do que o arsenieto de gálio. "

p Outra vantagem é que os fotocátodos de perovskita são feitos por spin coating, um método de baixo custo que pode ser facilmente ampliado, disse Mohite, professor associado de engenharia química e biomolecular e de ciência dos materiais e nanoengenharia.

p "Também descobrimos que fotocátodos de perovskita degradada podem ser facilmente regenerados em comparação com materiais convencionais que geralmente requerem recozimento de alta temperatura, " ele disse.

p Os pesquisadores testaram dezenas de fotocátodos de perovskita de haleto, alguns com eficiências quânticas de até 2,2%. Eles demonstraram seu método criando fotocátodos com componentes inorgânicos e orgânicos, e mostraram que podiam sintonizar a emissão de elétrons tanto no espectro visível quanto no ultravioleta.

p A eficiência quântica descreve a eficácia de um fotocátodo na conversão de luz em elétrons utilizáveis.

p "Se cada fóton que chega gerar um elétron e você coletar todos os elétrons, você teria 100% de eficiência quântica, "disse o autor principal do estudo, Fangze Liu, um associado de pesquisa de pós-doutorado no LANL. "Os melhores fotocátodos semicondutores hoje têm eficiências quânticas em torno de 10-20%, e todos eles são feitos de materiais extremamente caros, usando processos de fabricação complexos. Os metais também são usados ​​às vezes como fontes de elétrons, e a eficiência quântica do cobre é muito pequena, cerca de 0,01%, mas ainda é usado, e é uma tecnologia prática. "

p A economia de custos com fotocátodos de perovskita de halogeneto viria em duas formas:as matérias-primas para fabricá-los são abundantes e baratas, e o processo de fabricação é mais simples e menos caro do que os semicondutores tradicionais.

p "Há uma necessidade enorme de algo que seja de baixo custo e que possa ser ampliado, "Mohite disse." Usando materiais processados ​​por solução, onde você pode literalmente pintar uma grande área, é completamente inédito para fazer o tipo de semicondutor de alta qualidade necessário para fotocátodos. "

p O nome 'perovskita' se refere a um mineral específico descoberto na Rússia em 1839 e a qualquer composto com a estrutura cristalina desse mineral. Perovskitas Halide são os últimos, e pode ser feito misturando chumbo, estanho e outros metais com sais de brometo ou iodeto.

p A pesquisa em semicondutores de perovskita halogenada decolou em todo o mundo depois que cientistas no Reino Unido usaram cristais em forma de folha do material para fazer células solares de alta eficiência em 2012. Outros laboratórios mostraram que os materiais podem ser usados ​​para fazer LEDs. fotodetectores, células fotoeletroquímicas para divisão de água e outros dispositivos.

p Mohite, um especialista em perovskitas que trabalhou como cientista pesquisador no LANL antes de ingressar na Rice em 2018, disse que um dos motivos pelos quais o projeto de fotocátodo de perovskita de haleto foi bem-sucedido é que seus colaboradores no grupo de pesquisa Applied Cathode Enhancement and Robustness Technologies são "uma das melhores equipes do mundo para explorar novos materiais e tecnologias para fotocátodos."

p Os fotocátodos operam de acordo com o efeito fotoelétrico de Einstein, liberando elétrons livres quando são atingidos pela luz de uma determinada frequência. A razão pela qual as eficiências quânticas dos fotocátodos são normalmente baixas é porque mesmo os menores defeitos, como um único átomo fora do lugar na estrutura do cristal, pode criar "poços de potencial" que prendem elétrons livres.

p “Se você tem defeitos, todos os seus elétrons vão se perder, "Mohite disse." É preciso muito controle. E foi preciso muito esforço para chegar a um processo para fazer um bom material de perovskita. "

p Mohite e Liu usaram revestimento giratório, uma técnica amplamente usada em que o líquido é derramado em um disco que gira rapidamente e a força centrífuga espalha o líquido pela superfície do disco. Nos experimentos de Mohite e Liu, O revestimento por rotação ocorreu em uma atmosfera de argônio para limitar as impurezas. Uma vez girado, os discos foram aquecidos e colocados em alto vácuo para converter o líquido em cristal com uma superfície limpa.

p "Demorou muitas iterações, "Mohite disse." Tentamos ajustar a composição do material e o tratamento de superfície de várias maneiras para obter a combinação certa para a máxima eficiência. Esse foi o maior desafio. "

p Ele disse que a equipe já está trabalhando para melhorar a eficiência quântica de seus fotocátodos.

p "Sua eficiência quântica ainda é menor do que a dos semicondutores de última geração, e propusemos em nosso trabalho que isso se deve à presença de grandes defeitos superficiais, "disse ele." O próximo passo é fabricar cristais de perovskita de alta qualidade com menor densidade de defeito superficial.