As perovskitas haleto são uma família de materiais que têm atraído a atenção por suas propriedades optoeletrônicas superiores e aplicações potenciais em dispositivos como células solares de alto desempenho, diodos emissores de luz e lasers.



Esses materiais foram amplamente implementados em aplicações de filmes finos ou dispositivos de tamanho micrométrico. A integração precisa desses materiais em nanoescala poderia abrir aplicações ainda mais notáveis, como fontes de luz no chip, fotodetectores e memristores. No entanto, conseguir esta integração continua a ser um desafio porque este material delicado pode ser danificado por técnicas convencionais de fabricação e padronização.

Para superar esse obstáculo, os pesquisadores do MIT criaram uma técnica que permite que nanocristais individuais de haleto de perovskita sejam cultivados no local, quando necessário, com controle preciso sobre a localização, com menos de 50 nanômetros. (Uma folha de papel tem 100 mil nanômetros de espessura.) O tamanho dos nanocristais também pode ser controlado com precisão por meio dessa técnica, o que é importante porque o tamanho afeta suas características. Como o material é cultivado localmente com as características desejadas, não são necessárias etapas convencionais de padronização litográfica que possam causar danos.

A técnica também é escalonável, versátil e compatível com etapas convencionais de fabricação, permitindo que os nanocristais sejam integrados em dispositivos funcionais em nanoescala. Os pesquisadores usaram isso para fabricar matrizes de diodos emissores de luz em nanoescala (nanoLEDs) – minúsculos cristais que emitem luz quando ativados eletricamente. Essas matrizes poderiam ter aplicações em comunicação óptica e computação, microscópios sem lentes, novos tipos de fontes de luz quântica e monitores de alta densidade e alta resolução para realidade aumentada e virtual.

"Como mostra nosso trabalho, é fundamental desenvolver novas estruturas de engenharia para integração de nanomateriais em nanodispositivos funcionais. Ao ultrapassar as fronteiras tradicionais da nanofabricação, engenharia de materiais e design de dispositivos, essas técnicas podem nos permitir manipular a matéria em nanoescala extrema. dimensões, ajudando-nos a realizar plataformas de dispositivos não convencionais importantes para atender às necessidades tecnológicas emergentes", diz Farnaz Niroui, professor assistente de desenvolvimento de carreira da EE Landsman de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS), membro do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica (RLE), e autor sênior de um novo artigo descrevendo o trabalho.

Os coautores de Niroui incluem a autora principal Patricia Jastrzebska-Perfect, uma estudante de pós-graduação do EECS; Weikun “Spencer” Zhu, estudante de pós-graduação do Departamento de Engenharia Química; Mayuran Saravanapavanantham, Sarah Spector, Roberto Brenes e Peter Satterthwaite, todos estudantes de pós-graduação do EECS; Zheng Li, pós-doutorado em RLE; e Rajeev Ram, professor de engenharia elétrica. A pesquisa será publicada na Nature Communications .

Pequenos cristais, enormes desafios

A integração de perovskitas haleto em dispositivos em nanoescala no chip é extremamente difícil usando técnicas convencionais de fabricação em nanoescala. Numa abordagem, uma película fina de perovskitas frágeis pode ser modelada utilizando processos litográficos, que requerem solventes que podem danificar o material. Numa outra abordagem, cristais mais pequenos são primeiro formados em solução e depois colhidos e colocados a partir da solução no padrão desejado.

“Em ambos os casos, há falta de controle, resolução e capacidade de integração, o que limita a forma como o material pode ser estendido aos nanodispositivos”, diz Niroui.

Em vez disso, ela e sua equipe desenvolveram uma abordagem para "cultivar" cristais de haleto de perovskita em locais precisos, diretamente na superfície desejada, onde o nanodispositivo será então fabricado.

O núcleo do seu processo é localizar a solução que é usada no crescimento do nanocristal. Para fazer isso, eles criam um modelo em nanoescala com pequenos poços que contêm o processo químico através do qual os cristais crescem. Eles modificam a superfície do modelo e o interior dos poços, controlando uma propriedade conhecida como "molhabilidade" para que uma solução contendo material perovskita não se acumule na superfície do modelo e fique confinada dentro dos poços.

“Agora, você tem esses reatores muito pequenos e determinísticos dentro dos quais o material pode crescer”, diz ela.

E é exatamente isso que acontece. Eles aplicam uma solução contendo material de crescimento haleto de perovskita no modelo e, à medida que o solvente evapora, o material cresce e forma um pequeno cristal em cada poço.

Uma técnica versátil e ajustável

Os pesquisadores descobriram que o formato dos poços desempenha um papel crítico no controle do posicionamento dos nanocristais. Se forem utilizados poços quadrados, devido à influência de forças em nanoescala, os cristais têm chances iguais de serem colocados em cada um dos quatro cantos do poço. Para algumas aplicações isso pode ser bom o suficiente, mas para outras é necessário ter maior precisão no posicionamento dos nanocristais.

Ao alterar a forma do poço, os pesquisadores conseguiram projetar essas forças em nanoescala de tal forma que um cristal fosse colocado preferencialmente no local desejado.

À medida que o solvente evapora dentro do poço, o nanocristal experimenta um gradiente de pressão que cria uma força direcional, sendo a direção exata determinada usando o formato assimétrico do poço.

“Isso nos permite ter uma precisão muito elevada, não só no crescimento, mas também na colocação desses nanocristais”, diz Niroui.

Eles também descobriram que podiam controlar o tamanho do cristal que se forma dentro de um poço. Alterar o tamanho dos poços para permitir mais ou menos solução de crescimento em seu interior gera cristais maiores ou menores.

Eles demonstraram a eficácia de sua técnica fabricando matrizes precisas de nanoLEDs. Nesta abordagem, cada nanocristal é transformado em um nanopixel que emite luz. Essas matrizes nanoLED de alta densidade podem ser usadas para comunicação óptica e computação no chip, fontes de luz quântica, microscopia e monitores de alta resolução para aplicações de realidade aumentada e virtual.

No futuro, os investigadores querem explorar mais aplicações potenciais para estas pequenas fontes de luz. Eles também querem testar os limites do tamanho desses dispositivos e trabalhar para incorporá-los efetivamente em sistemas quânticos. Além das fontes de luz em nanoescala, o processo também abre outras oportunidades para o desenvolvimento de nanodispositivos em chip baseados em perovskita haleto.

A sua técnica também proporciona uma forma mais fácil para os investigadores estudarem materiais ao nível dos nanocristais individuais, o que eles esperam que inspire outros a realizar estudos adicionais sobre estes e outros materiais únicos.

"O estudo de materiais em nanoescala por meio de métodos de alto rendimento geralmente exige que os materiais sejam localizados com precisão e projetados nessa escala", acrescenta Jastrzebska-Perfect. "Ao fornecer esse controle localizado, nossa técnica pode melhorar a forma como os pesquisadores investigam e ajustam as propriedades dos materiais para diversas aplicações."

Mais informações: Crescimento local de matrizes de nanocristais de perovskita para nanodispositivos integrados, Nature Communications (2023). dx.doi.org/10.1038/s41467-023-39488-0
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts