p Universidade da Califórnia, Berkeley, cientistas criaram um diodo emissor de luz (LED) azul a partir de um novo material semicondutor da moda, perovskita de haleto, superando uma grande barreira para empregar esses produtos baratos, materiais fáceis de fazer em dispositivos eletrônicos. p No processo, Contudo, os pesquisadores descobriram uma propriedade fundamental das perovskitas de haleto que pode ser uma barreira para seu uso generalizado como células solares e transistores.

p Alternativamente, esta propriedade única pode abrir um mundo totalmente novo para perovskitas muito além dos semicondutores padrão de hoje.

p Em um artigo publicado em 24 de janeiro no jornal Avanços da Ciência , O químico Peidong Yang da UC Berkeley e seus colegas mostram que a estrutura cristalina das perovskitas de haleto muda com a temperatura, umidade e ambiente químico, perturbando suas propriedades ópticas e eletrônicas. Sem controle estrito do ambiente físico e químico, dispositivos perovskite são inerentemente instáveis. Este não é um grande problema para os semicondutores tradicionais.

p "Algumas pessoas podem dizer que isso é uma limitação. Para mim, esta é uma grande oportunidade, "disse Yang, o S. K. e Angela Chan Distinguished Chair in Energy no College of Chemistry e diretor do Kavli Energy NanoSciences Institute. "Esta é uma nova física:uma nova classe de semicondutores que podem ser facilmente reconfigurados, dependendo do tipo de ambiente em que você os coloca. Eles podem ser um sensor muito bom, talvez um fotocondutor muito bom, porque eles serão muito sensíveis em sua resposta à luz e aos produtos químicos. "

p Os semicondutores atuais feitos de silício ou nitreto de gálio são muito estáveis ​​em uma faixa de temperaturas, principalmente porque suas estruturas cristalinas são mantidas juntas por fortes ligações covalentes. Cristais de perovskita de haleto são mantidos juntos por ligações iônicas mais fracas, como aqueles em um cristal de sal. Isso significa que eles são mais fáceis de fazer - eles podem ser evaporados de uma solução simples - mas também são suscetíveis à umidade, calor e outras condições ambientais.

p "Este artigo não é apenas para mostrar que fizemos este LED azul, "disse Yang, que é cientista sênior do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e professor de ciência e engenharia de materiais da UC Berkeley. "Também estamos dizendo às pessoas que realmente precisamos prestar atenção à evolução estrutural das perovskitas durante a operação do dispositivo, sempre que você dirige esses perovskitas com uma corrente elétrica, seja um LED, uma célula solar ou um transistor. Esta é uma propriedade intrínseca desta nova classe de semicondutor e afeta qualquer dispositivo optoeletrônico potencial no futuro usando esta classe de material. "

p O azul do diodo azul

p Fazer diodos semicondutores que emitem luz azul sempre foi um desafio, Yang disse. O Prêmio Nobel de Física de 2014 foi concedido pela criação revolucionária de diodos emissores de luz azul eficientes de nitreto de gálio. Diodos, que emitem luz quando uma corrente elétrica flui através deles, são componentes optoeletrônicos em circuitos de fibra óptica, bem como luzes LED de uso geral.

p Desde que as perovskitas halogenadas chamaram muita atenção em 2009, quando os cientistas japoneses descobriram que eles fazem células solares altamente eficientes, estes são feitos facilmente, cristais baratos têm animado os pesquisadores. Até aqui, diodos emissores de vermelho e verde foram demonstrados, mas não azul. Os diodos emissores de azul perovskita de haleto têm sido instáveis, isto é, sua cor muda para mais longa, comprimentos de onda mais vermelhos com o uso.

p Como Yang e seus colegas descobriram, isso se deve à natureza única da estrutura cristalina das perovskitas. As perovskitas halogenadas são compostas de um metal, como chumbo ou estanho, números iguais de átomos maiores, como césio, e três vezes o número de átomos de haleto, como cloro, bromo ou iodo.

p Quando esses elementos são misturados em solução e depois secos, os átomos se reúnem em um cristal, assim como o sal se cristaliza na água do mar. Usando uma nova técnica e os ingredientes césio, chumbo e bromo, os químicos da UC Berkeley e do Berkeley Lab criaram cristais de perovskita que emitem luz azul e depois os bombardearam com raios X no Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) para determinar sua estrutura cristalina em várias temperaturas. Eles descobriram que, quando aquecido da temperatura ambiente (cerca de 300 Kelvin) a cerca de 450 Kelvin, uma temperatura de operação comum para semicondutores, a estrutura achatada do cristal se expandiu e eventualmente ganhou uma nova configuração ortorrômbica ou tetragonal.

p Uma vez que a luz emitida por esses cristais depende do arranjo e das distâncias entre os átomos, a cor mudou com a temperatura, também. Um cristal de perovskita que emitiu luz azul (comprimento de onda de 450 nanômetros) a 300 Kelvin de repente emitiu luz azul-esverdeada a 450 Kelvin.

p Yang atribui a estrutura de cristal flexível das perovskitas às ligações iônicas mais fracas, típicas dos átomos de haleto. A perovskita mineral de ocorrência natural incorpora oxigênio em vez de haletos, produzindo um mineral muito estável. Semicondutores baseados em silício e nitreto de gálio são similarmente estáveis ​​porque os átomos estão ligados por fortes ligações covalentes.

p Fazendo perovskitas emissoras de azul

p De acordo com Yang, Os diodos perovskita emissores de azul têm sido difíceis de criar porque a técnica padrão de crescimento dos cristais como uma película fina incentiva a formação de estruturas cristalinas mistas, cada um dos quais emite em um comprimento de onda diferente. Os elétrons são canalizados para os cristais com o menor bandgap, isto é, a menor faixa de energias não permitidas - antes de emitir luz, que tende a ser vermelho.

p Para evitar isso, Bolsistas de pós-doutorado e co-primeiros autores de Yang - Hong Chen, Jia Lin e Joohoon Kang - ficaram solteiros, cristais em camadas de perovskita e, adaptar um método de baixa tecnologia para a criação de grafeno, fita adesiva usada para descascar uma única camada de perovskita uniforme. Quando incorporado a um circuito e eletrizado, a perovskita brilhava em azul. O comprimento de onda azul real variou com o número de camadas de cristais de perovskita octaédrica, que são separadas umas das outras por uma camada de moléculas orgânicas que permite a fácil separação das camadas de perovskita e também protege a superfície.

p No entanto, os experimentos SLAC mostraram que as perovskitas emissoras de azul mudavam suas cores de emissão com a temperatura. Esta propriedade pode ter aplicações interessantes, Yang disse. Dois anos atrás, ele demonstrou uma janela feita de perovskita de halogeneto que fica escura ao sol e transparente quando o sol se põe e também produz energia fotovoltaica.

p "Precisamos pensar em maneiras diferentes de usar essa classe de semicondutor, ", disse ele." Não devemos colocar perovskitas de haleto no mesmo ambiente de aplicação de um semicondutor covalente tradicional, como o silício. Precisamos perceber que essa classe de material possui propriedades estruturais intrínsecas que o tornam pronto para ser reconfigurado. Devemos utilizar isso. "