Folhas ultrafinas de uma nova perovskita híbrida 2-D são quadradas e relativamente grandes em área, propriedades que devem facilitar sua integração em futuros dispositivos eletrônicos. Crédito:Peidong Yang, Berkeley Lab
Para a lista crescente de semicondutores bidimensionais, como o grafeno, nitreto de boro, e dissulfeto de molibdênio, cujas propriedades eletrônicas únicas os tornam sucessores potenciais do silício em dispositivos futuros, agora você pode adicionar perovskitas híbridas orgânico-inorgânicas. Contudo, ao contrário dos outros contendores, que são semicondutores covalentes, essas perovskitas híbridas 2D são materiais iônicos, o que lhes confere propriedades especiais próprias.
Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Laboratório de Berkeley) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) cultivaram com sucesso folhas 2D atomicamente finas de perovskitas híbridas orgânico-inorgânicas a partir da solução. As folhas ultrafinas são de alta qualidade, grande em área, e em forma de quadrado. Eles também exibiram fotoluminescência eficiente, ajuste de cor, e um relaxamento estrutural único não encontrado em folhas semicondutoras covalentes.
"Acreditamos que este seja o primeiro exemplo de nanoestruturas 2D atomicamente finas feitas de materiais iônicos, "diz Peidong Yang, um químico da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e autoridade mundial em nanoestruturas, que teve a ideia dessa pesquisa há cerca de 20 anos. "Os resultados do nosso estudo abrem oportunidades para pesquisas fundamentais sobre a síntese e caracterização de perovskitas híbridas 2D atomicamente finas e apresenta uma nova família de semicondutores processados em solução 2D para dispositivos optoeletrônicos em nanoescala, como transistores de efeito de campo e fotodetectores. "
Ilustração estrutural de uma única camada de uma perovskita híbrida 2D (C4H9NH3) 2PbBr4), um material iônico com propriedades diferentes dos semicondutores covalentes 2D.
Yang, que também tem compromissos na Universidade da Califórnia (UC) Berkeley e é codiretor do Kavli Energy NanoScience Institute (Kavli-ENSI), é o autor correspondente de um artigo que descreve esta pesquisa na revista Ciência . O artigo é intitulado "Perovskitas híbridas orgânico-inorgânicas atomicamente finas e bidimensionais". Os autores principais são Letian Dou, Andrew Wong e Yi Yu, todos os membros do grupo de pesquisa de Yang. Outros autores são Minliang Lai, Nikolay Kornienko, Samuel Eaton, Anthony Fu, Connor Bischak, Jie Ma, Tina Ding, Naomi Ginsberg, Lin-Wang Wang e Paul Alivisatos.
As perovskitas tradicionais são normalmente materiais de óxido metálico que exibem uma ampla gama de propriedades eletromagnéticas fascinantes, incluindo ferroeletricidade e piezoeletricidade, supercondutividade e magnetorresistência colossal. Nos últimos dois anos, perovskitas híbridas orgânico-inorgânicas foram processadas em solução em filmes finos ou cristais em massa para dispositivos fotovoltaicos que alcançaram uma eficiência de conversão de energia de 20 por cento. Separando esses materiais híbridos em indivíduos, Folhas 2D independentes por meio de técnicas como revestimento giratório, deposição de vapor químico, e a esfoliação mecânica teve sucesso limitado.
Em 1994, enquanto estudante de doutorado na Universidade de Harvard, Yang propôs um método para preparar nanoestruturas de perovskita híbrida 2D e ajustar suas propriedades eletrônicas, mas nunca agiu de acordo com ele. O ano que passou, enquanto se prepara para mudar de escritório, ele descobriu a proposta e a encaminhou ao co-autor principal Dou, pós-doutorando em seu grupo de pesquisa. Dou, trabalhando principalmente com os outros autores principais Wong e Yu, usou a proposta de Yang para sintetizar folhas 2D independentes de CH3NH3PbI3, uma perovskita híbrida feita de uma mistura de chumbo, bromo, azoto, átomos de carbono e hidrogênio.
"Ao contrário dos métodos de esfoliação e de deposição de vapor químico, que normalmente produzem placas de perovskita relativamente grossas, fomos capazes de cultivar cristais 2D uniformes em forma de quadrado em um substrato plano com alto rendimento e excelente reprodutibilidade, "diz Dou." Nós caracterizamos a estrutura e composição de cristais 2D individuais usando uma variedade de técnicas e descobrimos que eles têm uma emissão de borda de banda levemente deslocada que pode ser atribuída ao relaxamento estrutural. Um estudo preliminar de fotoluminescência indica uma emissão de borda de banda em 453 nanômetros, que é ligeiramente deslocado para o vermelho em comparação com os cristais em massa. Isso sugere que o ajuste de cor pode ser alcançado nessas perovskitas híbridas 2D alterando a espessura da folha, bem como a composição por meio da síntese de materiais relacionados. "
A geometria bem definida desses cristais 2D em forma de quadrado é a marca da cristalinidade de alta qualidade, e seu grande tamanho deve facilitar sua integração em dispositivos futuros.
"Com a nossa técnica, heteroestruturas verticais e laterais também podem ser alcançadas, "Yang diz." Isso abre novas possibilidades para o design de materiais / dispositivos em escala atômica / molecular com novas propriedades distintas. "
