Una nuova frontiera nella sintesi dei perovskiti alogenuri bidimensionali
Un team di ingegneri della Rice University, in collaborazione con colleghi della Northwestern University, dell’Università della Pennsylvania e dell’Università di Rennes, ha sviluppato un processo innovativo per la produzione di strati cristallini di perovskiti alogenuri bidimensionali (2D) di spessore e purezza ideali. Questo risultato è stato ottenuto attraverso il controllo dinamico del processo di cristallizzazione, un passo fondamentale per garantire la stabilità dei dispositivi optoelettronici e fotovoltaici.
Il controllo della cristallizzazione dinamica
La ricerca, guidata dall’ingegnere chimico e biomolecolare Aditya Mohite della Rice University, ha permesso di ottenere strati semiconduttori basati su perovskiti 2D controllando la temperatura e la durata del processo di cristallizzazione. Questo metodo, noto come confinamento spaziale controllato cineticamente, potrebbe contribuire a migliorare la stabilità e ridurre i costi delle tecnologie emergenti basate su perovskiti alogenuri, come l’optoelettronica e la fotovoltaica.
Superare i colli di bottiglia nella sintesi
“Produrre cristalli di perovskiti 2D con spessori di strato – o spessore del pozzo quantico, noto anche come ‘valore n’ – maggiori di due è un importante collo di bottiglia”, ha affermato Jin Hou, studente di dottorato presso la George R. Brown School of Engineering della Rice University e autore principale dello studio pubblicato su Nature Synthesis. ”Un valore n superiore a quattro significa che i materiali hanno un band gap più stretto e una maggiore conducibilità elettrica, un fattore cruciale per l’applicazione in dispositivi elettronici.”
Durante la formazione dei cristalli, atomi o molecole si organizzano in reticoli altamente ordinati e regolari. Ad esempio, il ghiaccio ha 18 possibili disposizioni atomiche, o fasi. Come gli atomi di idrogeno e ossigeno nel ghiaccio, le particelle che compongono i perovskiti alogenuri possono formare anche molteplici disposizioni reticolari. Poiché le proprietà dei materiali dipendono dalla fase, gli scienziati mirano a sintetizzare strati di perovskiti alogenuri 2D che esibiscano una singola fase in tutto il materiale. Tuttavia, i metodi tradizionali di sintesi per i perovskiti 2D con valori n più elevati generano una crescita cristallina disomogenea, che influisce sulla affidabilità delle prestazioni del materiale.
“In metodi tradizionali di sintesi di perovskiti 2D, si ottengono cristalli con fasi miste a causa della mancanza di controllo sulla cinetica di cristallizzazione, che è fondamentalmente l’interazione dinamica tra temperatura e tempo”, ha detto Hou. “Abbiamo progettato un modo per rallentare la cristallizzazione e regolare gradualmente ciascun parametro cinetico per raggiungere il punto ottimale per una sintesi pura di fase.”
Una nuova metodologia per cristalli puri di fase
Oltre a progettare un metodo di sintesi che può ottenere un aumento graduale del valore n nei perovskiti alogenuri 2D, i ricercatori hanno anche creato una mappa – o diagramma di fase – del processo attraverso la caratterizzazione, la spettroscopia ottica e l’apprendimento automatico.
“Questo lavoro spinge i limiti della sintesi di perovskiti 2D a pozzo quantico superiore, rendendoli un’opzione valida e stabile per una varietà di applicazioni”, ha detto Hou.
“Abbiamo sviluppato un nuovo metodo per migliorare la purezza dei cristalli e risolto una questione di lunga data nel campo su come avvicinarsi alla sintesi di cristalli puri di fase con alto valore n”, ha detto Mohite, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare e scienza dei materiali e nanoingegneria, il cui laboratorio ha aperto la strada a vari metodi per migliorare la qualità e le prestazioni dei semiconduttori di perovskiti alogenuri, dalla calibrazione della fase iniziale di cristallizzazione alla messa a punto del design del solvente.
“Questa svolta nella ricerca è fondamentale per la sintesi di perovskiti 2D, che detengono la chiave per raggiungere una stabilità commercialmente rilevante per le celle solari e per molte altre applicazioni di dispositivi optoelettronici e interazioni fondamentali luce-materia”, ha aggiunto Mohite.