I ricercatori della McGill University hanno acquisito nuove informazioni sul funzionamento delle perovskiti, un materiale semiconduttore che mostra grandi promesse per rendere ad alta efficienza, celle solari a basso costo e una gamma di altri dispositivi ottici ed elettronici.

Le perovskiti hanno attirato l'attenzione negli ultimi dieci anni a causa della loro capacità di agire come semiconduttori anche quando ci sono difetti nella struttura cristallina del materiale. Ciò rende le perovskiti speciali perché far funzionare bene la maggior parte degli altri semiconduttori richiede tecniche di produzione rigorose e costose per produrre cristalli il più possibile privi di difetti. In ciò che equivale alla scoperta di un nuovo stato della materia, il team McGill ha fatto un passo avanti nello svelare il mistero di come le perovskiti riescono a realizzare questo trucco.

"Storicamente, le persone hanno utilizzato semiconduttori sfusi che sono cristalli perfetti. E adesso, all'improvviso, questo imperfetto, il cristallo morbido inizia a funzionare per le applicazioni dei semiconduttori, dal fotovoltaico ai led, " spiega l'autore senior Patanjali Kambhampati, professore associato presso il Dipartimento di Chimica della McGill. "Questo è il punto di partenza per la nostra ricerca:come può qualcosa che è difettoso funzionare in modo perfetto?"

punti quantici, ma non come li conosciamo

In un articolo pubblicato il 26 maggio in Ricerca sulla revisione fisica , i ricercatori rivelano che un fenomeno noto come confinamento quantistico si verifica all'interno di cristalli di perovskite sfusi. Fino ad ora, il confinamento quantistico era stato osservato solo in particelle di pochi nanometri di dimensione:i punti quantici della fama della TV a schermo piatto ne erano un esempio molto decantato. Quando le particelle sono così piccole, le loro dimensioni fisiche limitano il movimento degli elettroni in un modo che conferisce alle particelle proprietà nettamente diverse da pezzi più grandi dello stesso materiale, proprietà che possono essere messe a punto per produrre effetti utili come l'emissione di luce in colori precisi.

Utilizzando una tecnica nota come spettroscopia di pompa/sonda risolta dallo stato, i ricercatori hanno dimostrato che un tipo simile di confinamento si verifica nei cristalli di perovskite di bromuro di piombo di cesio sfuso. In altre parole, i loro esperimenti hanno scoperto un comportamento simile al punto quantico che si verifica in pezzi di perovskite significativamente più grandi dei punti quantici.

Il risultato sorprendente porta a una scoperta inaspettata

Il lavoro si basa su ricerche precedenti che hanno stabilito che le perovskiti, pur apparendo ad occhio nudo una sostanza solida, hanno determinate caratteristiche più comunemente associate ai liquidi. Al centro di questa dualità liquido-solido c'è un reticolo atomico in grado di distorcere in risposta alla presenza di elettroni liberi. Kambhampati fa un paragone con un trampolino che assorbe l'impatto di una roccia lanciata al centro. Proprio come il trampolino alla fine fermerà la roccia, si ritiene che la distorsione del reticolo cristallino della perovskite, un fenomeno noto come formazione di polaroni, abbia un effetto stabilizzante sull'elettrone.

Mentre l'analogia del trampolino suggerirebbe una graduale dissipazione di energia coerente con un sistema che torna da uno stato eccitato a uno più stabile, i dati della spettroscopia pompa/sonda hanno infatti rivelato il contrario. Con grande sorpresa dei ricercatori, le loro misurazioni hanno mostrato un aumento complessivo di energia all'indomani della formazione dei polaroni.

"Il fatto che l'energia sia stata sollevata mostra un nuovo effetto quantomeccanico, confinamento quantistico come un punto quantico, " Kambhampati dice, spiegando che, alla scala dimensionale degli elettroni, la roccia nel trampolino è un eccitone, l'accoppiamento legato di un elettrone con lo spazio che lascia quando è in uno stato eccitato.

"Quello che fa il polarone è confinare tutto in un'area spazialmente ben definita. Una delle cose che il nostro gruppo è stato in grado di mostrare è che il polarone si mescola con un eccitone per formare quello che sembra un punto quantico. In un certo senso, è come un punto quantico liquido, che è qualcosa che chiamiamo una caduta quantica. Speriamo che l'esplorazione del comportamento di queste gocce quantiche dia origine a una migliore comprensione di come progettare materiali optoelettronici tolleranti ai difetti».