La differenza, questa volta, passa da un gesto che sembra minuscolo e invece cambia tutto: tirare fuori i cristalli quando sono ancora caldi, prima che la struttura cominci a deformarsi. Da lì parte il lavoro di un gruppo guidato da Aditya Mohite alla Rice University, che insieme ad altri centri di ricerca ha costruito una nuova perovskite 2D molto vicina a un cristallo “perfetto”. Nel materiale gli eccitoni, cioè le eccitazioni create dalla luce assorbita, riescono a viaggiare per oltre 2 micrometri senza perdere energia.
Per un sistema di questo tipo, e a temperatura ambiente, è un salto raro e pesante, con prestazioni sul trasporto dell’energia circa dieci volte superiori a quelle viste finora in perovskiti bidimensionali e allineate a quelle dei dicalcogenuri di metalli di transizione monostrato, materiali 2D già molto considerati per sensori ultrasensibili e circuiti integrati.
©Jorge Vidal/Rice University
Per anni il limite delle perovskiti 2D è stato una struttura troppo cedevole
Le perovskiti alogenuri metallici bidimensionali sono materiali ibridi, con una parte organica e una inorganica. Hanno qualità interessanti per l’optoelettronica, però si portano dietro una fragilità strutturale nota: la loro rete cristallina tende a piegarsi, a distorcersi, a creare trappole in cui l’energia resta impigliata. In questo caso il gruppo ha lavorato ispirandosi alla fase cubica della FAPbI3 e ha ottenuto composti stratificati a base di formamidinio con simmetria quasi massima, dentro uno schema tetragonale P4/mmm e senza le solite distorsioni degli ottaedri. È lì che il materiale cambia passo.
La svolta è arrivata anche dal metodo di crescita. I cristalli sono stati estratti a temperature più alte, bloccando la configurazione desiderata prima della trasformazione che di solito accompagna il raffreddamento. Questo approccio ha aperto la porta a forme più spesse e multilayer. Isaac Metcalf, che firma lo studio come co-primo autore insieme a Jared Fletcher, spiega che finora con la configurazione chimicamente stabile basata sul formamidinio si riuscivano a collegare due strati di perovskite; qui si passa a tre strati o più. Anche l’aspetto dei cristalli racconta bene la transizione: al microscopio si passa da forme aghiformi a blocchi più compatti, mentre il colore scivola dal rosso vivo verso il nero mano a mano che il quantum well si allarga e il band gap si restringe.
Più strati, un band gap più utile e una strada concreta verso il tandem
Quello spessore in più conta parecchio, perché modifica il rapporto con la luce. Gli strati risultano più vicini, con distanze interlayer di circa 4 angstrom, e il band gap ottico scende nella fascia 1,7-1,8 eV. Tradotto fuori dal gergo: il materiale riesce a catturare una porzione più ampia dello spettro solare. Nelle celle solari tandem, dove due o più materiali vengono impilati per spartirsi meglio le diverse energie della luce, un tassello con band gap largo e insieme stabile resta uno dei punti più delicati. Faiz Mandani, coautore dello studio, sostiene che proprio qui questa perovskite 2D può diventare interessante, perché unisce maggiore stabilità a un band gap considerato quasi ideale per lavorare accanto al silicio o ad altre perovskiti e semiconduttori.
I ricercatori hanno già fatto un primo test in dispositivi fotodetettori autoalimentati, quindi componenti capaci di trasformare la luce in segnale elettrico. I risultati del prototipo sono andati meglio rispetto a quelli ottenuti con un’altra perovskite 2D: più sensibilità, risposta più rapida, vantaggi ancora più chiari quando i film diventano più spessi. Da qui il raggio d’azione si allarga facilmente a tutta la famiglia dei dispositivi optoelettronici, e anche a possibili applicazioni quantistiche, dove il trasporto pulito dell’energia e la qualità della struttura fanno una differenza concreta.
Fonte: Nature
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