p Os nanoengenheiros da UC San Diego desenvolveram um novo método para fabricar perovskitas como filmes finos de cristal único, que são mais eficientes para uso em células solares e dispositivos ópticos do que as formas policristalinas de última geração do material. p Seu método de fabricação - que usa processos de fabricação de semicondutores padrão - resulta em filmes flexíveis de perovskita de cristal único com área controlada, espessura, e composição. Esses filmes de cristal único mostraram menos defeitos, Maior eficiência, e maior estabilidade do que suas contrapartes policristalinas, o que poderia levar ao uso de perovskitas em células solares, LEDs, e fotodetectores.

p Pesquisadores do laboratório de nanoengenharia da Escola de Engenharia Jacobs do professor Sheng Xu publicaram suas descobertas em 29 de julho em Natureza .

p "Nosso objetivo era superar os desafios na realização de dispositivos perovskita de cristal único", disse Yusheng Lei, um estudante de graduação em nanoengenharia e primeiro autor do artigo. "Nosso método é o primeiro que pode controlar com precisão o crescimento e a fabricação de dispositivos de cristal único com alta eficiência. O método não requer equipamentos ou técnicas sofisticadas - todo o processo é baseado na fabricação tradicional de semicondutores, indicando ainda a sua compatibilidade com os procedimentos industriais existentes. "

p As perovskitas são uma classe de materiais semicondutores com uma estrutura cristalina específica que demonstra propriedades eletrônicas e optoeletrônicas intrigantes, que tornam os perovskites atraentes para uso em dispositivos que canalizam, detectar, ou são controlados por luz - células solares, fibra óptica para comunicação, ou dispositivos baseados em LED, por exemplo.

p "Atualmente, quase todas as abordagens de fabricação de perovskita são focadas em estruturas policristalinas, uma vez que são mais fáceis de produzir, embora suas propriedades e estabilidade sejam menos proeminentes do que as estruturas de cristal único ", disse Yimu Chen, um estudante de graduação em nanoengenharia e co-autor do artigo.

p Controlar a forma e a composição das perovskitas de cristal único durante a fabricação tem sido difícil. O método inventado no laboratório de Xu foi capaz de superar esse obstáculo, aproveitando os processos de fabricação de semicondutores existentes, incluindo litografia.

p "Eletrônicos modernos, como seu telefone celular, computadores, e os satélites são baseados em filmes finos de cristal único de materiais como silício, nitreto de gálio, e arsenieto de gálio, "disse Xu." Os cristais simples têm menos defeitos, e, portanto, melhor desempenho de transporte eletrônico, do que os policristais. Esses materiais devem estar em filmes finos para integração com outros componentes do dispositivo, e esse processo de integração deve ser escalonável, baixo custo, e idealmente compatível com os padrões industriais existentes. Isso foi um desafio para os perovskitas. "

p Em 2018, A equipe de Xu foi a primeira a integrar com sucesso as perovskitas no processo de litografia padrão industrial; um desafio, uma vez que a litografia envolve água, quais perovskitas são sensíveis. Eles contornaram esse problema adicionando uma camada de proteção de polímero às perovskitas, seguida de decapagem a seco da camada de proteção durante a fabricação. Nesta nova pesquisa, os engenheiros desenvolveram uma maneira de controlar o crescimento das perovskitas no nível do cristal único, projetando um padrão de máscara de litografia que permite o controle nas dimensões lateral e vertical.

p Em seu processo de fabricação, os pesquisadores usam litografia para gravar um padrão de máscara em um substrato de cristal híbrido de perovskita. O design da máscara fornece um processo visível para controlar o crescimento da formação do filme de cristal ultrafino. Esta camada de cristal único é então removida do substrato de cristal em massa, e transferido para um substrato arbitrário enquanto mantém sua forma e adesão ao substrato. Uma mistura de chumbo-estanho com composição que muda gradualmente é aplicada à solução de crescimento, criando um bandgap eletrônico continuamente graduado do filme fino de cristal único.

p A perovskita reside no plano mecânico neutro imprensado entre duas camadas de materiais, permitindo que a película fina se curve. Esta flexibilidade permite que o filme de cristal único seja incorporado em células solares de filme fino flexível de alta eficiência, e em dispositivos vestíveis, contribuindo para o objetivo de controle sem fio sem bateria.

p Seu método permite aos pesquisadores fabricar filmes finos de cristal único de até 5,5 cm por 5,5 cm quadrados, embora tenha controle sobre a espessura da perovskita de cristal único - variando de 600 nanômetros a 100 mícrons - bem como o gradiente de composição na direção da espessura.

p "Simplificar ainda mais o processo de fabricação e melhorar o rendimento da transferência são questões urgentes nas quais estamos trabalhando, "disse Xu." Alternativamente, se pudermos substituir a máscara de padrão por camadas de transporte de portadores funcionais para evitar a etapa de transferência, todo o rendimento da fabricação pode ser bastante melhorado. "

p Em vez de trabalhar para encontrar agentes químicos para estabilizar o uso de perovskitas policristalinas, este estudo demonstra que é possível fazer dispositivos de cristal único estáveis ​​e eficientes usando procedimentos e materiais de nanofabricação padrão. A equipe de Xu espera expandir ainda mais esse método para realizar o potencial comercial dos perovskitas.