Investigadores de la Universidad de California en Davis han identificado una propiedad sorprendente en una clase de materiales conocidos como perovskitas que podría allanar el camino para una nueva generación de dispositivos semiconductores controlados por luz. Sus hallazgos, publicados el 3 de marzo Materiales avanzadosDemuestre que los cristales de haluro de perovskita pueden cambiar de forma cuando se exponen a la luz y luego volver a su forma original.
Las perovskitas son un tipo de semiconductor, pero se comportan de manera muy diferente a los materiales tradicionales como el silicio y el arseniuro de galio. Pueden fabricarse a partir de una mezcla de materiales orgánicos e inorgánicos y, a menudo, su producción es menos costosa. Estas diferencias los hacen particularmente atractivos para las tecnologías de próxima generación.
“Estos son ‘materiales inteligentes’ que pueden ajustarse de manera que podamos controlarlos en respuesta a un estímulo”, dijo Marina Leite, profesora de ingeniería científica de materiales en UC Davis y autora principal del artículo. “Su química es muy diferente de una manera que podría ser útil para fabricar dispositivos que no hemos podido fabricar antes”.
Todas las perovskitas comparten una estructura común conocida como ABX3. A nivel atómico, se puede visualizar como un átomo central compuesto por seis átomos rodeados por un octaedro (dos pirámides unidas en la base), encerrado en un cubo con átomos en cada esquina. Debido a esta estructura, las perovskitas ya han sido ampliamente estudiadas para su uso en optoelectrónica y células solares avanzadas.
La luz provoca cambios cristalinos rápidos y reversibles.
Para investigar cómo responden estos materiales a la luz, la estudiante de posgrado Mansha Dubey dirigió luz láser a cristales de perovskita y observó cómo cambiaba su estructura atómica mediante mediciones de rayos X. Los cristales fueron fabricados por los colegas Bekir Turedi, Andriy Kanak y el profesor Maksim Kovalenko en ETH Zurich en Suiza.
Los experimentos han revelado que la luz brillante sobre los cristales hace que sus redes internas se desplacen rápidamente. Cuando se retira la luz, la estructura vuelve a su configuración original. Este ciclo se puede repetir muchas veces.
“Hay un cambio dramático en la red cuando la iluminas, un fenómeno único que no se ve con el silicio o el arseniuro de galio”, dijo Leighty. Este efecto de fotoestricción es reversible y puede repetirse una y otra vez, afirmó.
La respuesta sintonizable depende de la iluminación y la composición.
Uno de los aspectos más prometedores de las perovskitas es su flexibilidad. Al ajustar su composición química, los científicos pueden controlar la longitud de onda de la luz que los cristales absorben y emiten, una propiedad conocida como banda prohibida. Diferentes composiciones responden de manera diferente a la luz, especialmente en frecuencias por encima de la banda prohibida.
Los investigadores también descubrieron que se puede ajustar la fuerza del cambio de forma. Tanto el color como la intensidad de la luz afectan la fuerza con la que reacciona el material.
“No es un efecto binario de encendido/apagado; puede ser una respuesta escalada, como un atenuador, dependiendo de la luz que le apliques”, dijo.
Hacia dispositivos controlados por luz y nuevas tecnologías
Esta capacidad de controlar con precisión cómo un material cambia de forma utilizando la luz podría conducir a nuevos tipos de dispositivos. Leit sugiere que las perovskitas podrían usarse en sensores o actuadores que se activan o ajustan mediante luz en lugar de electricidad.
La investigación fue apoyada por un programa federal de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa centrado en el desarrollo de materiales para dispositivos fotónicos conmutables, así como por la Fundación Nacional de Ciencias. El equipo también utilizó el laboratorio de pruebas y caracterización de materiales avanzados (AMCaT) de UC Davis, que se estableció con el apoyo de la NSF.
