luci LED e monitor, e pannelli solari di qualità sono nati da una rivoluzione nei semiconduttori che convertono in modo efficiente l'energia in luce o viceversa. Ora, materiali semiconduttori di nuova generazione sono all'orizzonte, e in un nuovo studio, i ricercatori hanno scoperto la fisica eccentrica dietro il loro potenziale per trasformare ancora una volta la tecnologia dell'illuminazione e il fotovoltaico.

Confrontare le proprietà quantistiche di questi cosiddetti semiconduttori ibridi emergenti con quelle dei loro predecessori affermati è come paragonare il Bolshoi Ballet ai salti. Truppe volteggianti di particelle quantistiche ondeggiano attraverso i materiali emergenti, creare, facilmente, proprietà optoelettroniche (luce-elettronica) altamente desiderabili, secondo un team di chimici fisici guidati da ricercatori del Georgia Institute of Technology.

Queste stesse proprietà non sono pratiche da ottenere in semiconduttori affermati.

Le particelle che si muovono attraverso questi nuovi materiali impegnano anche il materiale stesso nell'azione quantistica, simile ai ballerini che attirano la pista per ballare con loro. I ricercatori sono stati in grado di misurare i modelli nel materiale causati dalla danza e metterli in relazione con le proprietà quantistiche del materiale emergente e con l'energia introdotta nel materiale.

Queste informazioni potrebbero aiutare gli ingegneri a lavorare in modo produttivo con la nuova classe di semiconduttori.

Semiconduttori insolitamente flessibili

La capacità del materiale emergente di ospitare diversi, movimenti eccentrici delle particelle quantistiche, analogo ai ballerini, è direttamente correlato alla sua insolita flessibilità a livello molecolare, analogo al dancefloor che si unisce alle danze. Al contrario, semiconduttori affermati hanno rigidi, strutture molecolari diritte che lasciano la danza alle particelle quantistiche.

La classe di semiconduttori ibridi esaminati dai ricercatori è chiamata perovskite organica-inorganica ad alogenuri (HOIP), che sarà spiegato più dettagliatamente in fondo insieme alla designazione del semiconduttore "ibrido", che combina un reticolo cristallino, comune nei semiconduttori, con uno strato di materiale flessibile in modo innovativo.

Al di là della loro promessa di splendore unico ed efficienza energetica, Gli HOIP sono facili da produrre e applicare.

Dipingili su

"Un vantaggio convincente è che gli HOIP sono realizzati a basse temperature e lavorati in soluzione, " ha detto Carlo Silva, un professore alla Scuola di Chimica e Biochimica della Georgia Tech. "Ci vuole molta meno energia per farli, e puoi fare grandi lotti." Silva ha co-diretto lo studio insieme ad Ajay Ram Srimath Kandada della Georgia Tech e dell'Istituto Italiano di Tecnologia.

Ci vogliono alte temperature per produrre la maggior parte dei semiconduttori in piccole quantità, e sono rigidi da applicare alle superfici, ma gli HOIP potrebbero essere dipinti su per creare LED, laser o persino vetri per finestre che potrebbero brillare di qualsiasi colore, dall'acquamarina al fucsia. L'illuminazione con HOIP può richiedere pochissima energia, e i produttori di pannelli solari potrebbero aumentare l'efficienza del fotovoltaico e ridurre i costi di produzione.

Il team guidato da Georgia Tech comprendeva ricercatori dell'Université de Mons in Belgio e dell'Istituto Italiano di Tecnologia. I risultati sono stati pubblicati il ​​14 gennaio 2019, nel diario Materiali della natura . Il lavoro è stato finanziato dalla National Science Foundation degli Stati Uniti, UE Orizzonte 2020, il Consiglio di ricerca in scienze naturali e ingegneria del Canada, il Fond Québécois pour la Recherche, e l'Ufficio federale per la politica scientifica belga.

Jack di salto quantico

I semiconduttori nei dispositivi optoelettronici possono convertire la luce in elettricità o l'elettricità in luce. I ricercatori si sono concentrati sui processi collegati a quest'ultimo:l'emissione di luce.

Il trucco per far sì che un materiale emetta luce è, ampiamente parlando, applicare energia agli elettroni nel materiale, in modo che facciano un salto quantico dalle loro orbite attorno agli atomi, quindi emettano quell'energia sotto forma di luce quando tornano indietro alle orbite che avevano lasciato libere. I semiconduttori consolidati possono intrappolare gli elettroni in aree del materiale che limitano rigorosamente il raggio di movimento degli elettroni, quindi applicare energia a quelle aree per fare in modo che gli elettroni eseguano salti quantici all'unisono per emettere luce utile quando tornano indietro all'unisono.

"Questi sono pozzi quantici, parti bidimensionali del materiale che confinano queste proprietà quantistiche per creare queste particolari proprietà di emissione di luce, " ha detto Silva.

Eccitazione delle particelle immaginarie

C'è un modo potenzialmente più attraente per produrre la luce, ed è un punto di forza dei nuovi semiconduttori ibridi.

Un elettrone ha una carica negativa, e un'orbita che lascia dopo essere stata eccitata dall'energia è una carica positiva chiamata lacuna elettronica. L'elettrone e la lacuna possono ruotare l'uno intorno all'altro formando una specie di particella immaginaria, o quasiparticella, chiamato eccitone.

"L'attrazione positiva-negativa in un eccitone è chiamata energia di legame, ed è un fenomeno ad altissima energia, che lo rende ottimo per l'emissione di luce, " ha detto Silva.

Quando l'elettrone e la lacuna si riuniscono, che rilascia l'energia vincolante per fare luce. Ma di solito, gli eccitoni sono molto difficili da mantenere in un semiconduttore.

"Le proprietà eccitoniche dei semiconduttori convenzionali sono stabili solo a temperature estremamente basse, " ha detto Silva. "Ma negli HOIP le proprietà eccitoniche sono molto stabili a temperatura ambiente".

Turbinio decorato di quasiparticelle

Gli eccitoni vengono liberati dai loro atomi e si muovono intorno al materiale. Inoltre, gli eccitoni in un HOIP possono girare intorno ad altri eccitoni, formando quasiparticelle chiamate bieccitoni. E c'è di più.

Anche gli eccitoni ruotano attorno agli atomi nel reticolo materiale. Proprio come un elettrone e una lacuna elettronica creano un eccitone, questa rotazione dell'eccitone attorno a un nucleo atomico dà origine a un'altra quasiparticella chiamata polarone. Tutta quell'azione può provocare la transizione degli eccitoni ai polaroni indietro. Si può addirittura parlare di alcuni eccitoni che assumono una sfumatura "polaronica".

Ad aggravare tutte queste dinamiche è il fatto che gli HOIP sono pieni di ioni caricati positivamente e negativamente. L'ornato di queste danze quantistiche ha un effetto generale sul materiale stesso.

I modelli d'onda risuonano

La non comune partecipazione degli atomi della materia a queste danze con gli elettroni, eccitoni, bieccitoni e polaroni creano rientranze ripetitive su nanoscala nel materiale che sono osservabili come modelli d'onda e che si spostano e fluiscono con la quantità di energia aggiunta al materiale.

"In uno stato fondamentale, questi modelli di onde apparirebbero in un certo modo, ma con energia in più, gli eccitoni fanno le cose diversamente. Che cambia i modelli d'onda, ed è quello che misuriamo, " Silva ha detto. "L'osservazione chiave nello studio è che il modello d'onda varia con i diversi tipi di eccitoni (eccitoni, bieccitone, polaronico/meno polaronico)."

Le rientranze afferrano anche gli eccitoni, rallentando la loro mobilità attraverso il materiale, e tutte queste dinamiche elaborate possono influenzare la qualità dell'emissione di luce.

Sandwich con elastico

Il materiale, una perovskite organica-inorganica ad alogenuri, è un sandwich di due strati di reticolo cristallino inorganico con del materiale organico tra di loro, rendendo gli HOIP un materiale ibrido organico-inorganico. L'azione quantistica avviene nei reticoli cristallini.

Lo strato organico in mezzo è come un foglio di elastici che trasforma i reticoli cristallini in una pista da ballo traballante ma stabile. Anche, Gli HOIP sono messi insieme con molti legami non covalenti, rendendo il materiale morbido.

Le singole unità del cristallo assumono una forma chiamata perovskite, che è una forma di diamante molto uniforme, con un metallo al centro e alogeni come cloro o iodio nei punti, quindi "alogenuro". Per questo studio, i ricercatori hanno utilizzato un prototipo 2-D con la formula (PEA)2PbI4.