Os pesquisadores da Rice University já sabiam que os átomos nas perovskitas reagem favoravelmente à luz. Agora eles podem ver precisamente como esses átomos se movem.
Um avanço na visualização apoia seus esforços para espremer cada gota possível de utilidade de materiais baseados em perovskita, incluindo células solares, um projeto de longa data que só recentemente rendeu um avanço para tornar os dispositivos muito mais duráveis.
Um estudo publicado esta semana na física da natureza detalha a primeira medição direta da dinâmica estrutural sob excitação induzida por luz em perovskitas 2D. As perovskitas são materiais em camadas que possuem redes cristalinas bem ordenadas. Eles são coletores de luz altamente eficientes que estão sendo explorados para uso como células solares, fotodetectores, fotocatalisadores, diodos emissores de luz, emissores quânticos e muito mais.
“A próxima fronteira em dispositivos de conversão de luz em energia é a colheita de portadores quentes”, disse Aditya Mohite, da Rice University, autor correspondente do estudo. “Estudos mostraram que portadores quentes em perovskita podem viver até 10-100 vezes mais do que em semicondutores clássicos. No entanto, os mecanismos e princípios de design para a transferência de energia e como eles interagem com a rede não são compreendidos.”
Portadores quentes são portadores de carga de alta energia e vida curta, sejam elétrons para cargas negativas ou “buracos” de elétrons para cargas positivas, e ter a capacidade de coletar sua energia permitiria que os dispositivos de coleta de luz “superassem a eficiência termodinâmica”, disse Mohite , professor associado de engenharia química e biomolecular na Escola de Engenharia George R. Brown de Rice.
Mohite e três membros de seu grupo de pesquisa, o cientista sênior Jean-Christophe Blancon e os alunos de pós-graduação Hao Zhang e Wenbin Li, trabalharam com colegas do SLAC National Accelerator Laboratory para ver como os átomos em uma rede de perovskita se reorganizavam quando um portador quente era criado em meio deles. Eles visualizaram a reorganização da rede em tempo real usando difração de elétrons ultrarrápida.
“Sempre que você expõe esses semicondutores macios a estímulos como campos elétricos, coisas interessantes acontecem”, disse Mohite. “Quando você gera elétrons e buracos, eles tendem a se acoplar à rede de maneiras incomuns e realmente fortes, o que não é o caso de materiais clássicos e semicondutores.
“Portanto, havia uma questão de física fundamental”, disse ele. “Podemos visualizar essas interações? Podemos ver como a estrutura está realmente respondendo em escalas de tempo muito rápidas à medida que você coloca luz neste material?”
A resposta foi sim, mas apenas com uma forte contribuição. A instalação de mega-elétron-volt ultrarrápida de difração de elétrons (MeV-UED) do SLAC é um dos poucos lugares no mundo com lasers pulsados capazes de criar o plasma de buracos de elétrons em perovskitas que foi necessário para revelar como a estrutura da rede mudou em menos de um bilionésimo de segundo em resposta a um portador quente.
“A maneira como esse experimento funciona é que você dispara um laser através do material e, em seguida, envia um feixe de elétrons que passa por ele em um atraso de tempo muito curto”, explicou Mohite. “Você começa a ver exatamente o que veria em uma imagem TEM (microscópio eletrônico de transmissão). Com os elétrons de alta energia no SLAC, você pode ver padrões de difração de amostras mais espessas e isso permite monitorar o que acontece com esses elétrons e buracos e como eles interagem com a rede.”
Os experimentos no SLAC produziram padrões de difração antes e depois que a equipe de Mohite interpretou para mostrar como a rede mudou. Eles descobriram que depois que a rede foi excitada pela luz, ela relaxou e literalmente se endireitou em apenas um picossegundo, ou um trilionésimo de segundo.
Zhang disse: “Há uma inclinação sutil do octaedro de perovskita, que desencadeia essa reorganização transitória da rede em direção a uma fase simétrica superior”.
Ao demonstrar que uma rede de perovskita pode repentinamente se tornar menos distorcida em resposta à luz, a pesquisa mostrou que deveria ser possível ajustar como as redes de perovskita interagem com a luz e sugeriu uma maneira de realizar o ajuste.
Li disse: “Este efeito é muito dependente do tipo de estrutura e do tipo de cátion espaçador orgânico”.
Existem muitas receitas para fazer perovskitas, mas todas contêm cátions orgânicos, um ingrediente que age como um espaçador entre as camadas semicondutoras dos materiais. Ao substituir ou alterar sutilmente os cátions orgânicos, os pesquisadores podem adaptar a rigidez da rede, aumentando ou diminuindo a forma como o material responde à luz, disse Li.
Mohite disse que os experimentos também mostram que ajustar a estrutura de uma perovskita altera suas propriedades de transferência de calor.
“O que geralmente se espera é que quando você excita elétrons em um nível de energia muito alto, eles perdem sua energia para a rede”, disse ele. “Parte dessa energia é convertida em qualquer processo que você queira, mas muito dela é perdida como calor, o que aparece no padrão de difração como uma perda de intensidade.
“A rede está recebendo mais energia da energia térmica”, disse Mohite. “Esse é o efeito clássico, que é esperado e é conhecido como fator Debye-Waller. Mas como agora podemos saber exatamente o que está acontecendo em todas as direções da rede cristalina, vemos que a rede começa a ficar mais cristalina ou ordenada. . E isso é totalmente contra-intuitivo.”
Uma melhor compreensão de como as perovskitas excitadas lidam com o calor é um bônus da pesquisa, disse ele.
“À medida que tornamos os dispositivos cada vez menores, um dos maiores desafios do ponto de vista da microeletrônica é o gerenciamento de calor”, disse Mohite. “Entender essa geração de calor e como ela está sendo transportada pelos materiais é importante.
“Quando as pessoas falam sobre dispositivos de empilhamento, elas precisam ser capazes de extrair calor muito rapidamente”, disse ele. “À medida que avançamos para novas tecnologias que consomem menos energia e geram menos calor, esses tipos de medições nos permitirão sondar diretamente como o calor está fluindo”.
A pesquisa foi financiada pelo Departamento de Energia (DE-AC02-05-CH11231, DE-AC02-76SF00515, DE-339SC0016534), pelo Escritório de Pesquisa Naval (N00014-20-1-2725), pela Fundação Robert A. Welch (C-0002) e o Instituto Acadêmico da França.
Com informações de Science Daily.