Università della California, Berkeley, gli scienziati hanno creato un diodo a emissione di luce blu (LED) da un nuovo materiale semiconduttore alla moda, perovskite ad alogenuri, superando una grande barriera all'impiego di questi a buon mercato, materiali facili da realizzare nei dispositivi elettronici.

Nel processo, però, i ricercatori hanno scoperto una proprietà fondamentale delle perovskiti ad alogenuri che potrebbe rivelarsi una barriera al loro uso diffuso come celle solari e transistor.

In alternativa, questa proprietà unica potrebbe aprire un mondo completamente nuovo per le perovskiti ben oltre quello dei semiconduttori standard di oggi.

In un articolo apparso il 24 gennaio sulla rivista Progressi scientifici , Il chimico della UC Berkeley Peidong Yang e i suoi colleghi mostrano che la struttura cristallina delle perovskiti alogenuri cambia con la temperatura, umidità e ambiente chimico, alterando le loro proprietà ottiche ed elettroniche. Senza uno stretto controllo dell'ambiente fisico e chimico, i dispositivi di perovskite sono intrinsecamente instabili. Questo non è un grosso problema per i semiconduttori tradizionali.

"Alcune persone potrebbero dire che questo è un limite. Per me, questa è una grande opportunità, " disse Yang, la S.K. e Angela Chan Distinguished Chair in Energy presso il College of Chemistry e direttore del Kavli Energy NanoSciences Institute. "Questa è una nuova fisica:una nuova classe di semiconduttori che può essere facilmente riconfigurata, a seconda del tipo di ambiente in cui li metti. Potrebbero essere un ottimo sensore, forse un ottimo fotoconduttore, perché saranno molto sensibili nella loro risposta alla luce e alle sostanze chimiche".

Gli attuali semiconduttori in silicio o nitruro di gallio sono molto stabili in un intervallo di temperature, principalmente perché le loro strutture cristalline sono tenute insieme da forti legami covalenti. I cristalli di alogenuro di perovskite sono tenuti insieme da legami ionici più deboli, come quelli in un cristallo di sale. Ciò significa che sono più facili da realizzare, possono essere evaporati con una soluzione semplice, ma anche sensibili all'umidità, calore e altre condizioni ambientali.

"Questo documento non serve solo a mostrare che abbiamo realizzato questo LED blu, " disse Yang, che è uno scienziato senior della facoltà presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e un professore di scienza e ingegneria dei materiali della UC Berkeley. "Stiamo anche dicendo alle persone che dobbiamo davvero prestare attenzione all'evoluzione strutturale delle perovskiti durante il funzionamento del dispositivo, ogni volta che guidi queste perovskiti con una corrente elettrica, se è un LED, una cella solare o un transistor. Questa è una proprietà intrinseca di questa nuova classe di semiconduttori e influirà in futuro su qualsiasi potenziale dispositivo optoelettronico che utilizzerà questa classe di materiale".

Il diodo blu blues

Realizzare diodi a semiconduttore che emettono luce blu è sempre stata una sfida, ha detto Yang. Il Premio Nobel per la Fisica 2014 è stato assegnato per la rivoluzionaria creazione di efficienti diodi a emissione di luce blu dal nitruro di gallio. Diodi, che emettono luce quando una corrente elettrica li attraversa, sono componenti optoelettronici in circuiti in fibra ottica e luci a LED per uso generale.

Dal momento che le perovskiti ad alogenuri hanno attirato per la prima volta ampia attenzione nel 2009, quando gli scienziati giapponesi hanno scoperto che producono celle solari altamente efficienti, questi facilmente realizzati, i cristalli economici hanno entusiasmato i ricercatori. Finora, sono stati dimostrati diodi emettitori di rosso e verde, ma non blu. I diodi blu emettitori di perovskite ad alogenuri sono stati instabili, cioè, il loro colore diventa più lungo, lunghezze d'onda più rosse con l'uso.

Come Yang e i suoi colleghi hanno scoperto, ciò è dovuto alla natura unica della struttura cristallina delle perovskiti. Le perovskiti ad alogenuri sono composte da un metallo, come piombo o stagno, numero uguale di atomi più grandi, come il cesio, e tre volte il numero di atomi di alogenuro, come il cloro, bromo o iodio.

Quando questi elementi vengono mescolati insieme in soluzione e poi essiccati, gli atomi si assemblano in un cristallo, proprio come il sale cristallizza dall'acqua di mare. Utilizzando una nuova tecnica e gli ingredienti cesio, piombo e bromo, i chimici della UC Berkeley e del Berkeley Lab hanno creato cristalli di perovskite che emettono luce blu e poi li hanno bombardati con raggi X allo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) per determinarne la struttura cristallina a varie temperature. Hanno scoperto che, quando riscaldato dalla temperatura ambiente (circa 300 Kelvin) a circa 450 Kelvin, una temperatura di esercizio comune per i semiconduttori, la struttura schiacciata del cristallo si espanse e alla fine si sviluppò in una nuova configurazione ortorombica o tetragonale.

Poiché la luce emessa da questi cristalli dipende dalla disposizione e dalle distanze tra gli atomi, il colore cambia con la temperatura, anche. Un cristallo di perovskite che emetteva luce blu (lunghezza d'onda di 450 nanometri) a 300 Kelvin emetteva improvvisamente luce blu-verde a 450 Kelvin.

Yang attribuisce la struttura cristallina flessibile delle perovskiti ai legami ionici più deboli tipici degli atomi di alogenuro. La perovskite minerale naturale incorpora ossigeno invece di alogenuri, producendo un minerale molto stabile. I semiconduttori a base di silicio e nitruro di gallio sono similmente stabili perché gli atomi sono collegati da forti legami covalenti.

Produzione di perovskiti che emettono blu

Secondo Yang, i diodi di perovskite che emettono blu sono stati difficili da creare perché la tecnica standard di far crescere i cristalli come un film sottile incoraggia la formazione di strutture cristalline miste, ognuno dei quali emette a una lunghezza d'onda diversa. Gli elettroni vengono incanalati verso quei cristalli con il più piccolo gap di banda, cioè, la più piccola gamma di energie non consentite, prima di emettere luce, che tende al rosso.

Per evitare questo, I borsisti post-dottorato e i co-primi autori di Yang:Hong Chen, Jia Lin e Joohoon Kang—sono cresciuti single, cristalli stratificati di perovskite e, adattare un metodo a bassa tecnologia per la creazione di grafene, nastro usato per staccare un singolo strato di perovskite uniforme. Quando incorporato in un circuito e alimentato con l'elettricità, la perovskite brillava di blu. La lunghezza d'onda effettiva del blu variava con il numero di strati di cristalli di perovskite ottaedrici, che sono separati l'uno dall'altro da uno strato di molecole organiche che permette una facile separazione degli strati di perovskite e protegge anche la superficie.

Tuttavia, gli esperimenti SLAC hanno mostrato che le perovskiti che emettono blu hanno cambiato i loro colori di emissione con la temperatura. Questa proprietà può avere interessanti applicazioni, ha detto Yang. Due anni fa, ha mostrato una finestra fatta di perovskite ad alogenuri che diventa scura al sole e trasparente quando il sole tramonta e produce anche energia fotovoltaica.

"Dobbiamo pensare in modi diversi di utilizzare questa classe di semiconduttori, " ha detto. "Non dovremmo mettere le perovskiti ad alogenuri nello stesso ambiente applicativo di un tradizionale semiconduttore covalente, come il silicio. Dobbiamo renderci conto che questa classe di materiale ha proprietà strutturali intrinseche che la rendono pronta per la riconfigurazione. Dovremmo sfruttarlo".