Alguns materiais novos que parecem bons demais para serem verdadeiros acabam sendo verdadeiros e bons. Uma classe emergente de semicondutores, que poderia iluminar nosso futuro de forma acessível com cores diferenciadas emanando de lasers, lâmpadas, e até mesmo o vidro da janela, poderia ser o exemplo mais recente.

Esses materiais são muito radiantes, fácil de processar a partir da solução, e com eficiência energética. A incômoda questão de saber se as perovskitas híbridas orgânico-inorgânicas (HOIPs) poderiam realmente funcionar acaba de receber uma resposta bastante afirmativa em um novo estudo internacional conduzido por físicos químicos do Instituto de Tecnologia da Geórgia.

Os pesquisadores observaram em um HOIP uma "riqueza" da física semicondutora criada pelo que poderia ser descrito como elétrons dançando em bases químicas que balançam como o chão de uma casa de diversões em um terremoto. Isso vai contra a sabedoria convencional porque os semicondutores estabelecidos dependem de bases químicas rigidamente estáveis, quer dizer, estruturas moleculares mais silenciosas, para produzir as propriedades quânticas desejadas.

"Não sabemos ainda como funciona ter essas propriedades quânticas estáveis ​​neste intenso movimento molecular, "disse o primeiro autor Felix Thouin, um assistente de pesquisa de pós-graduação na Georgia Tech. "Isso desafia os modelos da física que temos que tentar explicar. É como se precisássemos de uma nova física."

Propriedades quânticas surpreendem

Sua confusão giratória tornou os HOIPs difíceis de examinar, mas a equipe de pesquisadores de um total de cinco institutos de pesquisa em quatro países conseguiu medir um HOIP prototípico e encontrou suas propriedades quânticas no mesmo nível das estabelecidas, semicondutores molecularmente rígidos, muitos dos quais são baseados em grafeno.

"As propriedades eram pelo menos tão boas quanto nesses materiais e podem ser ainda melhores, "disse Carlos Silva, professor da Escola de Química e Bioquímica da Georgia Tech. Nem todos os semicondutores também absorvem e emitem luz bem, mas os HOIPs fazem, tornando-os optoeletrônicos e, portanto, potencialmente úteis em lasers, LEDs, outras aplicações de iluminação, e também em energia fotovoltaica.

A falta de rigidez de nível molecular em HOIPs também contribui para que sejam produzidos e aplicados de forma mais flexível.

Silva co-liderou o estudo com o físico Ajay Ram Srimath Kandada. Sua equipe publicou os resultados de seu estudo sobre HOIPs bidimensionais em 8 de março, 2018, no jornal Materiais de revisão física . Sua pesquisa foi financiada pelo EU Horizon 2020, o Conselho de Pesquisa de Ciências Naturais e Engenharia do Canadá, o Fond Québécois pour la Recherche, o Conselho de Pesquisa do Canadá, e a Fundação Nacional de Pesquisa de Cingapura.

A 'solução solução'

Normalmente, propriedades semicondutoras surgem de redes cristalinas estáticas de átomos perfeitamente interconectados. Em silício, por exemplo, que é usado na maioria das células solares comerciais, eles são átomos de silício interconectados. O mesmo princípio se aplica a semicondutores semelhantes ao grafeno.

"Essas redes não são estruturalmente muito complexas, "Disse Silva." Eles têm apenas um átomo de espessura, e eles têm propriedades bidimensionais estritas, então eles são muito mais rígidos. "

"Você limita à força esses sistemas a duas dimensões, "disse Srimath Kandada, que é Marie Curie International Fellow na Georgia Tech e no Instituto Italiano de Tecnologia. "Os átomos estão dispostos de forma infinitamente expansiva, folhas planas, e então essas propriedades optoeletrônicas muito interessantes e desejáveis ​​surgem. "

Esses materiais comprovados impressionam. Então, por que perseguir HOIPs, exceto para explorar sua física desconcertante? Porque eles podem ser mais práticos em aspectos importantes.

"Uma das vantagens atraentes é que todos eles são feitos usando soluções de processamento de baixa temperatura, Silva disse. "É preciso muito menos energia para fazê-los."

Por contraste, materiais à base de grafeno são produzidos em altas temperaturas em pequenas quantidades que podem ser entediantes de trabalhar. "Com essas coisas (HOIPs), você pode fazer grandes lotes de solução e revestir uma janela inteira com ele, se quiser, "Disse Silva.

Funhouse em um terremoto

Para todas as oscilações de um HOIP, também é uma estrutura muito ordenada com seu próprio tipo de rigidez, embora menos limitante do que nos materiais bidimensionais habituais.

"Não é apenas uma única camada, "Srimath Kandada disse." Há uma geometria semelhante à perovskita muito específica. "Perovskita se refere à forma de uma rede de cristal HOIPs, que é um andaime em camadas.

"A estrutura se auto-monta, "Srimath Kandada disse, "e faz isso em uma pilha tridimensional feita de camadas de folhas bidimensionais. Mas os HOIPs ainda preservam essas propriedades quânticas 2D desejáveis."

Essas folhas são mantidas juntas por camadas intercaladas de outra estrutura molecular que é um pouco como uma folha de elásticos. Isso faz o andaime balançar como o chão de uma casa de diversões.

"À temperatura ambiente, as moléculas se mexem por todo o lugar. Isso perturba a rede, que é onde vivem os elétrons. É muito intenso, "Disse Silva." Mas, surpreendentemente, as propriedades quânticas ainda são realmente estáveis. "

Fazer com que as propriedades quânticas funcionem à temperatura ambiente sem a necessidade de ultra-resfriamento é importante para o uso prático como semicondutor.

Voltando ao que significa HOIP - perovskitas híbridas orgânicas-inorgânicas - é assim que o material experimental se encaixava na classe química HOIP:era um híbrido de camadas inorgânicas de um iodeto de chumbo (a parte rígida) separada por camadas orgânicas (a borracha partes semelhantes a bandas) de feniletilamônio (fórmula química (PEA) 2PbI4).

O chumbo neste material prototípico pode ser trocado por um metal mais seguro para humanos manusearem antes do desenvolvimento de um material aplicável.

Coreografia eletrônica

HOIPs são ótimos semicondutores porque seus elétrons fazem uma quadrilha acrobática.

Usualmente, os elétrons vivem em uma órbita ao redor do núcleo de um átomo ou são compartilhados por átomos em uma ligação química. Mas as redes químicas HOIP, como todos os semicondutores, são configurados para compartilhar elétrons de forma mais ampla.

Os níveis de energia em um sistema podem liberar os elétrons para circular e participar de coisas como o fluxo de eletricidade e calor. As órbitas, que estão vazios, são chamados de buracos de elétrons, e eles querem os elétrons de volta.

"O buraco é considerado uma carga positiva, e claro, o elétron tem uma carga negativa, "Disse Silva." Então, buraco e elétron se atraem. "

Os elétrons e os buracos correm em torno um do outro como parceiros de dança formando o que os físicos chamam de "exciton". Excitons agem e se parecem muito com as próprias partículas, embora não sejam realmente partículas.

Luz biexciton saltitante

Em semicondutores, milhões de excitons são correlacionados, ou coreografado, um com o outro, o que contribui para propriedades desejáveis, quando uma fonte de energia como eletricidade ou luz laser é aplicada. Adicionalmente, excitons podem emparelhar para formar biexcitons, aumentando as propriedades energéticas do semicondutor.

“Neste material, descobrimos que as energias de ligação do biexciton eram altas, Silva disse. "É por isso que queremos colocar isso em lasers, porque a energia que você insere termina em 80 ou 90 por cento em biexcitons."

Biexcitons aumentam energicamente para absorver a energia de entrada. Em seguida, eles se contraem energicamente e expelem luz. Isso funcionaria não apenas em lasers, mas também em LEDs ou outras superfícies que usam o material optoeletrônico.

"Você pode ajustar a química (de HOIPs) para controlar a largura entre os estados biexciton, e que controla o comprimento de onda da luz emitida, "Silva disse." E o ajuste pode ser muito fino para fornecer qualquer comprimento de onda de luz.

Isso se traduz em qualquer cor de luz que o coração desejar.