Alcuni nuovi materiali che sembrano troppo belli per essere veri si rivelano veri e buoni. Una classe emergente di semiconduttori, che potrebbe illuminare a prezzi accessibili il nostro futuro con colori sfumati emanati dai laser, lampade, e anche il vetro della finestra, potrebbe essere l'ultimo esempio.

Questi materiali sono molto radiosi, facile da elaborare dalla soluzione, ed efficiente dal punto di vista energetico. La fastidiosa domanda se le perovskiti organiche-inorganiche ibride (HOIP) possano davvero funzionare ha appena ricevuto una risposta molto affermativa in un nuovo studio internazionale condotto da chimici fisici presso il Georgia Institute of Technology.

I ricercatori hanno osservato in un HOIP una "ricchezza" della fisica dei semiconduttori creata da quelli che potrebbero essere descritti come elettroni che danzano su basi chimiche che oscillano come un pavimento di una casa dei divertimenti in caso di terremoto. Ciò va contro la saggezza convenzionale perché i semiconduttori affermati si basano su basi chimiche rigidamente stabili, vale a dire, strutture molecolari più silenziose, produrre le proprietà quantistiche desiderate.

"Non sappiamo ancora come funziona avere queste proprietà quantistiche stabili in questo intenso movimento molecolare, " ha detto il primo autore Felix Thouin, un assistente di ricerca laureato presso la Georgia Tech. "Sfida i modelli fisici che dobbiamo cercare di spiegarlo. È come se avessimo bisogno di una nuova fisica".

Proprietà quantistiche sorpresa

I loro guazzabugli rotanti hanno reso gli HOIP difficili da esaminare, ma il team di ricercatori di un totale di cinque istituti di ricerca in quattro paesi è riuscito a misurare un prototipo HOIP e ha trovato le sue proprietà quantistiche alla pari con quelle di semiconduttori molecolari rigidi, molti dei quali sono a base di grafene.

"Le proprietà erano almeno buone quanto quelle di quei materiali e potrebbero essere anche migliori, " ha detto Carlo Silva, un professore alla Scuola di Chimica e Biochimica della Georgia Tech. Non tutti i semiconduttori assorbono ed emettono bene anche la luce, ma gli HOIP lo fanno, rendendoli optoelettronici e quindi potenzialmente utili nei laser, LED, altre applicazioni di illuminazione, e anche nel fotovoltaico.

La mancanza di rigidità a livello molecolare negli HOIP gioca anche sul fatto che vengono prodotti e applicati in modo più flessibile.

Silva ha co-diretto lo studio con il fisico Ajay Ram Srimath Kandada. Il loro team ha pubblicato i risultati del loro studio sugli HOIP bidimensionali l'8 marzo, 2018, nel diario Materiali per la revisione fisica . La loro ricerca è stata finanziata da EU Horizon 2020, il Consiglio di ricerca in scienze naturali e ingegneria del Canada, il Fond Québécois pour la Recherche, il Consiglio di ricerca del Canada, e la Fondazione Nazionale per la Ricerca di Singapore.

La "soluzione soluzione"

Comunemente, proprietà dei semiconduttori derivano da reticoli cristallini statici di atomi ordinatamente interconnessi. Nel silicio, Per esempio, che viene utilizzato nella maggior parte delle celle solari commerciali, sono atomi di silicio interconnessi. Lo stesso principio si applica ai semiconduttori simili al grafene.

"Questi reticoli sono strutturalmente poco complessi, " Silva ha detto. "Sono solo un atomo sottile, e hanno rigorose proprietà bidimensionali, quindi sono molto più rigidi."

"Limiti con forza questi sistemi a due dimensioni, " disse Srimath Kandada, che è Marie Curie International Fellow presso la Georgia Tech e l'Istituto Italiano di Tecnologia. "Gli atomi sono disposti in infinitamente espansivo, fogli piatti, e poi emergono queste proprietà optoelettroniche molto interessanti e desiderabili."

Questi materiali collaudati impressionano. Così, perché perseguire HOIP, tranne per esplorare la loro fisica sconcertante? Perché possono essere più pratici in modi importanti.

"Uno dei vantaggi convincenti è che sono tutti realizzati utilizzando l'elaborazione a bassa temperatura da soluzioni, " Silva ha detto. "Ci vuole molta meno energia per farli."

Al contrario, i materiali a base di grafene sono prodotti ad alte temperature in piccole quantità che possono essere noiose da lavorare. "Con questa roba (HOIP), puoi fare grandi lotti in soluzione e rivestire un'intera finestra se lo desideri, " ha detto Silva.

Funhouse in un terremoto

Per tutte le oscillazioni di un HOIP, è anche un reticolo molto ordinato con un suo tipo di rigidità, anche se meno limitante rispetto ai consueti materiali bidimensionali.

"Non è solo un singolo strato, " Srimath Kandada ha detto. "C'è una geometria simile alla perovskite molto specifica." La perovskite si riferisce alla forma di un reticolo cristallino HOIPs, che è un'impalcatura a strati.

"Il reticolo si autoassembla, "Srimath Kandada disse:"e lo fa in una pila tridimensionale fatta di strati di fogli bidimensionali. Ma gli HOIP conservano ancora quelle proprietà quantistiche 2D desiderabili".

Quei fogli sono tenuti insieme da strati intercalati di un'altra struttura molecolare che è un po' come un foglio di elastici. Questo fa muovere l'impalcatura come il pavimento di una casa dei divertimenti.

"A temperatura ambiente, le molecole si muovono dappertutto. Che sconvolge il reticolo, che è dove vivono gli elettroni. è davvero intenso, " Silva ha detto. "Ma sorprendentemente, le proprietà quantistiche sono ancora molto stabili."

Far funzionare le proprietà quantistiche a temperatura ambiente senza richiedere l'ultra-raffreddamento è importante per l'uso pratico come semiconduttore.

Tornando a ciò che HOIP sta per - perovskiti organiche-inorganiche ibride - ecco come il materiale sperimentale si inserisce nella classe chimica HOIP:era un ibrido di strati inorganici di ioduro di piombo (la parte rigida) separati da strati organici (la gomma parti a bande) di feniletilammonio (formula chimica (PEA)2PbI4).

Il piombo in questo materiale prototipo potrebbe essere sostituito con un metallo più sicuro da maneggiare per gli esseri umani prima dello sviluppo di un materiale applicabile.

Coreografia elettronica

Gli HOIP sono ottimi semiconduttori perché i loro elettroni eseguono un'acrobatica danza quadrata.

Generalmente, gli elettroni vivono in un'orbita attorno al nucleo di un atomo o sono condivisi da atomi in un legame chimico. Ma i reticoli chimici HOIP, come tutti i semiconduttori, sono configurati per condividere gli elettroni in modo più ampio.

I livelli di energia in un sistema possono liberare gli elettroni per correre e partecipare a cose come il flusso di elettricità e calore. Le orbite, che poi sono vuoti, sono chiamati buchi elettronici, e vogliono indietro gli elettroni.

"Il buco è pensato come una carica positiva, ed ovviamente, l'elettrone ha una carica negativa, " Silva ha detto. "Quindi, buco ed elettrone si attraggono."

Gli elettroni e le lacune corrono l'uno intorno all'altro come compagni di ballo che si accoppiano in quello che i fisici chiamano "eccitone". Gli eccitoni agiscono e assomigliano molto alle particelle stesse, anche se non sono realmente particelle.

Saltellando la luce del bieccitone

Nei semiconduttori, milioni di eccitoni sono correlati, o coreografato, insieme, che crea proprietà desiderabili, quando viene applicata una fonte di energia come elettricità o luce laser. Inoltre, gli eccitoni possono accoppiarsi per formare bieccitoni, potenziamento delle proprietà energetiche del semiconduttore.

"In questo materiale, abbiamo scoperto che le energie di legame del bieccitone erano alte, " ha detto Silva. "Ecco perché vogliamo metterlo nei laser perché l'energia che immetti finisce per l'80 o il 90 percento come bieccitoni".

I bieccitoni salgono energicamente per assorbire l'energia in ingresso. Quindi si contraggono energicamente e pompano luce. Ciò funzionerebbe non solo con i laser, ma anche con i LED o altre superfici che utilizzano il materiale optoelettronico.

"Puoi regolare la chimica (degli HOIP) per controllare la larghezza tra gli stati di bieccitone, e che controlla la lunghezza d'onda della luce emessa, " ha detto Silva. "E la regolazione può essere molto fine per darti qualsiasi lunghezza d'onda della luce."

Questo si traduce in qualsiasi colore di luce il cuore desidera.