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Enciclopedia Universo

Revestimiento de nanocristales de perovskita en una armadura de doble capa para una mayor durabilidad

Perovskite Protection System

Sistema de protección de perovskita

Esta ilustración muestra cómo las dos capas de plástico y sílice trabajan juntas para proteger el material de perovskita. Crédito: Georgia Tech

Blindados con "pelo" de plástico y sílice, los nuevos nanocristales de perovskita muestran más durabilidad.

Los nanocristales de perovskita son prometedores para mejorar una amplia variedad de dispositivos optoelectrónicos, desde láseres hasta diodos emisores de luz (LED), pero los problemas con su durabilidad aún limitan el amplio uso comercial del material.

Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han demostrado un enfoque novedoso destinado a abordar el problema de durabilidad del material: encerrar la perovskita dentro de un sistema de protección de doble capa de plástico y sílice.

En un estudio publicado hoy (29 de noviembre de 2019) en la revista Avances científicos, el equipo de investigación describe un proceso de varios pasos para producir nanocristales de perovskita encerrados que exhiben una fuerte resistencia a la degradación en ambientes húmedos.

"Los nanocristales de perovskita son altamente susceptibles a la degradación, particularmente cuando entran en contacto con el agua", dijo Zhiqun Lin, profesor de la Escuela Tecnológica de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech. "Este sistema de doble capa ofrece dos capas de protección al tiempo que permite que cada nanocristal permanezca como una unidad distinta y separada, logrando la máxima cantidad de superficie y otras características físicas de la perovskita necesarias para optimizar las aplicaciones optoelectrónicas".

El término perovskita se refiere a la estructura cristalina del material, que generalmente se compone de tres partes: dos cationes de diferentes tamaños y un anión intermedio. Durante décadas, los investigadores han probado la sustitución de varios productos químicos en la estructura para lograr características únicas. En particular, las perovskitas que contienen compuestos de haluro como el bromuro y el yodo pueden actuar como absorbentes y emisores de luz.

Para este estudio, que contó con el apoyo de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Fundación Nacional de Ciencias, la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa y el Departamento de Energía, el grupo de Lin trabajó con una de las configuraciones de haluros más comunes, que se forma a partir de metilamonio. , plomo y bromuro.

Zhiqun Lin

Zhiqun Lin, profesor de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech. Crédito: Christopher Moore

Su proceso implica primero formar moléculas de plástico en forma de estrella que podrían servir como "nanoreactores" al cultivar 21 brazos de polímero en una molécula de azúcar simple. Luego, una vez que los precursores químicos para los nanocristales de sílice y perovskita se cargan en la molécula plástica, varias etapas de reacciones químicas producen el sistema final.

Después de que el plástico en forma de estrella ha desempeñado su papel de nanoreactor, los componentes en forma de estrella permanecen unidos permanentemente, casi como el cabello, a la sílice, que recubre la perovskita. Los pelos luego sirven como la primera capa de protección, repelen el agua y evitan que los nanocristales se agrupen. La capa posterior de sílice agrega protección adicional en caso de que el agua pase el cabello plástico que repele el agua.

"La síntesis y las aplicaciones de nanocristales de perovskita han sido un campo de investigación en rápida evolución en los últimos cinco años", dijo Yanjie He, coautor del artículo y ex estudiante de posgrado en Georgia Tech. "Nuestra estrategia, basada en un plástico en forma de estrella juiciosamente diseñado como nanoreactor, permite un control sin precedentes en la elaboración de nanocristales de perovskita de alta calidad con una arquitectura compleja, que es inaccesible en los enfoques convencionales".

Para probar el material, los investigadores recubrieron sustratos de vidrio con una película delgada de las perovskitas encapsuladas y realizaron varias pruebas de estrés, incluida la inmersión de toda la muestra en agua desionizada. Al iluminar la luz ultravioleta sobre la muestra, descubrieron que las propiedades fotoluminiscentes de las perovskitas nunca disminuyeron durante una prueba de 30 minutos. A modo de comparación, los investigadores también sumergieron perovskitas sin encapsular en agua y observaron cómo su fotoluminiscencia se desvanecía en cuestión de segundos.

Lin dijo que el nuevo método desbloquea la posibilidad de ajustar las características de la superficie del nanocristal de doble capa para mejorar su rendimiento en una mayor gama de aplicaciones. El proceso de fabricación de los nuevos nanocristales de perovskita a partir del plástico en forma de estrella también fue único, ya que empleó solventes de bajo punto de ebullición con baja toxicidad. La investigación futura puede centrarse en el desarrollo de diferentes sistemas de nanocristales de perovskita, incluidas las perovskitas totalmente inorgánicas, las perovskitas dobles y las perovskitas dopadas.

"Visualizamos que este tipo de nanocristales de perovskita resultará muy útil para crear dispositivos optoelectrónicos duraderos para bioimagen, biosensores, sensores fotónicos y detección de radiación, así como LED, láser y centelleadores de próxima generación", dijo Lin. "Esto se debe a que estos nanocristales de perovskita peludos tienen ventajas únicas, que incluyen una alta tolerancia a defectos, bandas de emisión más estrechas y una alta eficiencia de centelleo".

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Referencia: "Ruta no convencional a nanocristales de perovskita de halógenos organoadhesivos de doble capa con dimensiones controladas, química superficial y estabilidad" por Yanjie He, Young Jun Yoon, Yeu Wei Harn, Gill V. Biesold-McGee, Shuang Liang, Chun Hao Lin, Vladimir V. Tsukruk, Naresh Thadhani, Zhitao Kang y Zhiqun Lin, 29 de noviembre de 2019, Avances científicos.DOI: 10.1126 / sciadv.aax4424

Esta investigación fue apoyada por la National Science Foundation (NSF) con los subsidios Nos. CMMI 1727313, CMMI 1914713, CBET 1803495, Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea con el subsidio No. FA9550-19-1-0317, la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa con el subsidio No. HDTRA1-18-1-0004, y el Departamento de Energía de EE. UU. Con los números de subvención DE-SC0018611 y DE-FG02-90ER46604. El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente los puntos de vista oficiales de las organizaciones patrocinadoras.