Un membro poco studiato della famiglia di materiali perovskite potrebbe trovare impiego in una gamma di dispositivi elettronici, dopo che i ricercatori della KAUST hanno scoperto il segreto della sua forte fotoluminescenza.

Le perovskiti sono un ampio gruppo di materiali noti per le notevoli proprietà ottiche ed elettroniche. Perovskiti con la formula generale ABX3, e in particolare il trialogenuro di piombo metilammonio perovskite, hanno attirato quasi tutta l'attenzione della ricerca grazie alla loro grande promessa di low cost, materiali per celle solari ad alta efficienza.

Anche altri membri della famiglia delle perovskiti e dei derivati ​​della perovskite sono degni soggetti di ricerca, dice Michele De Bastiani, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Osman Bakr al KAUST.

De Bastiani e i suoi colleghi hanno testato Cs4PbBr6, una perovskite del ramo A4BX6 della famiglia. Questo materiale è noto per la sua forte fotoluminescenza, la capacità di assorbire la luce a una lunghezza d'onda e di riemetterla in un'altra.

Le potenziali applicazioni del materiale includono rivestimenti per la conversione del colore su lampadine a LED, laser e fotorivelatori. Ma per poter mettere a punto le proprietà optoelettriche del materiale per ogni applicazione, i ricercatori devono risolvere il mistero del perché la fotoluminescenza della perovskite sia così forte.

"Abbiamo studiato le proprietà strutturali e optoelettroniche di Cs4PbBr6 per comprendere l'origine della sua fotoluminescenza, " dice De Bastiani. Sottoponendo il materiale a una raffica di prove, il team ha scoperto che quando un cristallo di Cs4PbBr6 veniva riscaldato a 180°C, la sua fotoluminescenza è stata irreversibilmente distrutta.

La fotoluminescenza è un processo in due fasi; l'assorbimento della luce genera una coppia di quasi-particelle chiamate eccitoni all'interno della perovskite, che deve ricombinarsi per riemettere la luce. Utilizzando la diffrazione dei raggi X dipendente dalla temperatura per tenere traccia delle modifiche strutturali al materiale quando è stato applicato il calore, il team ha scoperto che a 180°C, I nanocristalli di CsPbBr3 si formano all'interno del minerale.

I riarrangiamenti strutturali indotti dal calore che creano questi nanocristalli inghiottono anche i difetti naturali nel cristallo originale in cui mancavano gli atomi di bromo, hanno concluso i ricercatori. Questi posti vacanti di bromo fungono da trappole per il passaggio degli esectoni. Confinato in queste trappole, gli eccitoni hanno molte più probabilità di ricombinarsi ed emettere luce.

"Ora che abbiamo questa comprensione fondamentale, il nostro prossimo passo è passare a potenziali applicazioni, " Dice De Bastiani. "La fotoluminescenza unica manifestata da Cs4PbBr6 rende queste perovskiti materiali interessanti per i dispositivi di elettroluminescenza, laser e convertitori di luce."

Nel frattempo, molti altri membri poco esplorati della famiglia delle perovskiti con proprietà interessanti aspettano di essere rivelati, aggiunge De Bastiani. "Un esempio è CsPb2Br5, un singolo cristallo che abbiamo recentemente sintetizzato per la prima volta con proprietà optoelettroniche mai viste".