(Noticias de Nanowerk) Con el apoyo de estudios de alta presión en Advanced Light Source (ALS), los investigadores descubrieron que la compresión de semiconductores híbridos (orgánicos-inorgánicos) aumenta significativamente su conductividad (Edición internacional de Angewandte Chemie«Depósitos de carga en un análogo de perovskita de haluro expandido: mejora de la conductividad a alta presión mediante moléculas activas redox»).
El trabajo demuestra un mecanismo de dopaje novedoso en el que las moléculas orgánicas del material sirven como depósitos de carga para ajustar la concentración del portador de carga, con aplicaciones prometedoras en células solares, láseres y LED.
Soluciones de haluros de perovskita
Los materiales semiconductores sintonizables que contienen compuestos orgánicos se pueden sintetizar a partir de una solución utilizando métodos escalables y económicos. Los compuestos híbridos (orgánico-inorgánico) resultantes pertenecen a una clase de materiales conocidos como perovskitas, llamados así por el mineral en el que se identificaron por primera vez sus estructuras octaédricas distintivas. Las estructuras son estables, pero lo suficientemente flexibles para permitir variaciones para crear las propiedades deseadas del material.
En las perovskitas de haluro, los iones metálicos (p. ej., plomo o estaño) están confinados en jaulas octaédricas definidas por iones de haluro (p. ej., bromuro o yoduro). Dichos materiales ofrecen propiedades optoelectrónicas útiles, que incluyen brechas de banda sintonizables y una fuerte absorción óptica. En consecuencia, son de gran interés para su uso en aplicaciones tales como diodos emisores de luz (LED), láseres y células solares. En este último caso, el yoduro de plomo en particular ha mostrado notables mejoras en la eficiencia fotovoltaica.
Sin embargo, todavía existen desafíos fundamentales que requieren soluciones. Por ejemplo, se necesita una mejor comprensión de cómo se pueden controlar las propiedades de transporte electrónico en estos materiales mediante el dopaje para mejorar su rendimiento como semiconductores y abrir nuevas posibilidades.
Espacio de codo para el dopaje
Como en otros semiconductores, el dopaje en las perovskitas de haluros se debió principalmente a la introducción de defectos e impurezas. Sin embargo, estas estrategias se ven obstaculizadas por la formación de defectos de compensación en estos materiales de autoensamblaje. Para evitar esto, un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Stanford intentó incorporar moléculas redox activas (que aceptan o donan electrones) en el componente orgánico de la perovskita.
Anteriormente, el grupo había sintetizado con éxito una serie de perovskitas de haluro expandido con cavidades lo suficientemente grandes como para acomodar moléculas orgánicas que contenían anillos aromáticos de seis miembros. En este trabajo, los investigadores sintetizaron un análogo de perovskita ampliado utilizando yoduro de estaño para la estructura inorgánica y N,N²-dimetilpirazinio (dmpz) como aceptores de electrones orgánicos.
La banda prohibida de este material está determinada por la diferencia de energía entre los orbitales bajos y vacíos del dmpz y los orbitales llenos de la estructura de yoduro de estaño. Sin embargo, los niveles más bajos de dmpz eran demasiado altos energéticamente para aceptar electrones de la banda de valencia máxima de yoduro de estaño. Los investigadores plantearon la hipótesis de que comprimir el material afectaría los niveles de energía de las estructuras de dmpz y yoduro de estaño de manera diferente, reduciendo la brecha y permitiendo la transferencia de carga.
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Los cambios estructurales inducidos por la presión en el material se siguieron con difracción de rayos X en polvo (hasta 60 GPa) en la línea de luz ALS 12.2.2. Las propiedades ópticas y de transporte también se caracterizaron tanto a temperatura ambiente como a alta presión. Las mediciones de ALS mostraron que el material es altamente comprimible, lo que explica bien su respuesta al aumento de la presión: la brecha de banda casi se cerró y la conductividad aumentó en cinco órdenes de magnitud, superando significativamente los valores alcanzados por las perovskitas relacionadas a presiones similares superadas.
La introducción de grupos activos redox en moléculas orgánicas en perovskitas de haluro podría ofrecer un control preciso sobre el dopaje y señalar el camino para reducir las presiones requeridas a valores tecnológicamente relevantes. En un nivel más amplio, el trabajo eleva el papel de las moléculas orgánicas de proporcionar una plantilla para la estructura de la perovskita a funcionar como un reservorio de carga para el ajuste de la conductividad, de manera análoga al papel que desempeñan los reservorios de carga para permitir la superconductividad a alta temperatura, donde se han realizado décadas de investigación. Los estudios de alta presión han proporcionado información valiosa sobre las propiedades electrónicas.
