Los experimentos visualizan cómo cambian las estructuras de perovskita 2D cuando se excitan

Los investigadores de la Universidad de Rice ya sabían que los átomos de las perovskitas reaccionan favorablemente a la luz. Ahora pueden ver con precisión cómo se mueven esos átomos.

Un avance en la visualización respalda sus esfuerzos para exprimir cada gota posible de utilidad de los materiales basados ​​en perovskita, incluidas las células solares, un proyecto de larga data que solo recientemente produjo un avance para hacer que los dispositivos sean mucho más duraderos.

Un estudio publicado en Física de la naturaleza detalla la primera medición directa de la dinámica estructural bajo excitación inducida por la luz en perovskitas 2D. Las perovskitas son materiales en capas que tienen redes cristalinas bien ordenadas. Son recolectores de luz altamente eficientes que se están explorando para su uso como células solares, fotodetectores, fotocatalizadores, diodos emisores de luz, emisores cuánticos y más.

«La próxima frontera en los dispositivos de conversión de luz en energía es la recolección de portadores calientes», dijo Aditya Mohite de la Universidad de Rice, autor correspondiente del estudio. «Los estudios han demostrado que los portadores calientes en la perovskita pueden vivir entre 10 y 100 veces más que en los semiconductores clásicos. Sin embargo, no se comprenden los mecanismos y los principios de diseño para la transferencia de energía y cómo interactúan con la red».

Los portadores calientes son portadores de carga de alta energía y de corta duración, ya sean electrones para cargas negativas o «agujeros» de electrones para cargas positivas, y tener la capacidad de recolectar su energía permitiría que los dispositivos de recolección de luz «superen la eficiencia termodinámica», dijo Mohite. , profesor asociado de ingeniería química y biomolecular en la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice.

Mohite y tres miembros de su grupo de investigación, el científico senior Jean-Christophe Blancon y los estudiantes graduados Hao Zhang y Wenbin Li, trabajaron con colegas en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC para ver cómo los átomos en una red de perovskita se reorganizaron cuando se creó un portador caliente en medio de ellos. Visualizaron la reorganización de la red en tiempo real mediante la difracción de electrones ultrarrápidos.

«Cada vez que expones estos semiconductores blandos a estímulos como campos eléctricos, suceden cosas interesantes», dijo Mohite. «Cuando generas electrones y huecos, tienden a acoplarse a la red de formas inusuales y realmente fuertes, lo que no es el caso de los materiales y semiconductores clásicos.

«Así que había una cuestión de física fundamental», dijo. «¿Podemos visualizar estas interacciones? ¿Podemos ver cómo la estructura responde realmente en escalas de tiempo muy rápidas a medida que ilumina este material?»

La respuesta fue sí, pero solo con una entrada fuerte. La instalación de difracción de electrones ultrarrápidos de mega-electron-voltios (MeV-UED) de SLAC es uno de los pocos lugares en el mundo con láseres pulsados ​​capaces de crear el plasma de huecos de electrones en perovskitas que se necesitaba para revelar cómo cambió la estructura reticular en menos de una milmillonésima de segundo en respuesta a una portadora caliente.

«La forma en que funciona este experimento es que disparas un láser a través del material y luego envías un haz de electrones que lo pasa con un retraso de tiempo muy corto», explicó Mohite. «Comienzas a ver exactamente lo que verías en una imagen TEM (microscopio electrónico de transmisión). Con los electrones de alta energía en SLAC, puedes ver patrones de difracción de muestras más gruesas, y eso te permite monitorear lo que sucede con esos electrones y huecos. y cómo interactúan con la red».

Los experimentos en SLAC produjeron patrones de difracción de antes y después que el equipo de Mohite interpretó para mostrar cómo cambió la red. Descubrieron que después de que la luz excitaba la red, se relajaba y literalmente se enderezaba en tan solo un picosegundo, o una trillonésima de segundo.

Zhang dijo: «Hay una inclinación sutil del octaedro de perovskita, que desencadena esta reorganización transitoria de la red hacia una fase simétrica superior».

Al demostrar que una red de perovskita puede distorsionarse repentinamente menos en respuesta a la luz, la investigación mostró que debería ser posible ajustar cómo interactúan las redes de perovskita con la luz, y sugirió una forma de lograr la afinación.

Li dijo: «Este efecto depende mucho del tipo de estructura y del tipo de catión espaciador orgánico».

Hay muchas recetas para hacer perovskitas, pero todas contienen cationes orgánicos, un ingrediente que actúa como espaciador entre las capas semiconductoras de los materiales. Al sustituir o cambiar sutilmente los cationes orgánicos, los investigadores podrían adaptar la rigidez de la red, aumentándola o disminuyéndola para alterar la forma en que el material responde a la luz, dijo Li.

Mohite dijo que los experimentos también muestran que ajustar la red de una perovskita altera sus propiedades de transferencia de calor.

«Lo que generalmente se espera es que cuando excitas electrones a un nivel de energía muy alto, pierden su energía en la red», dijo. «Parte de esa energía se convierte en cualquier proceso que desee, pero gran parte se pierde en forma de calor, lo que se muestra en el patrón de difracción como una pérdida de intensidad.

«La red está obteniendo más energía de la energía térmica», dijo Mohite. «Ese es el efecto clásico, que se espera, y es bien conocido como el factor Debye-Waller. Pero debido a que ahora podemos saber exactamente lo que sucede en todas las direcciones de la red cristalina, vemos que la red comienza a volverse más cristalina u ordenada. Y eso es totalmente contrario a la intuición».

Una mejor comprensión de cómo las perovskitas excitadas manejan el calor es una ventaja de la investigación, dijo.

«A medida que hacemos dispositivos cada vez más pequeños, uno de los mayores desafíos desde la perspectiva de la microelectrónica es la gestión del calor», dijo Mohite. «Es importante comprender esta generación de calor y cómo se transporta a través de los materiales.

«Cuando la gente habla de dispositivos de apilamiento, necesitan poder extraer el calor muy rápido», dijo. «A medida que avanzamos hacia nuevas tecnologías que consumen menos energía y generan menos calor, este tipo de mediciones nos permitirán probar directamente cómo fluye el calor».