Científicos de la Universidad de Berkeley en California han creado un diodo emisor de luz (LED) azul a partir del material semiconductor de moda, la perovskita de haluro. Si bien esto ha supuesto un importante paso para el desarrollo de dispositivo con este material barato y fácil de fabricar, también han descubierto una propiedad fundamental de las perovskitas de halogenuros que muestra su inestabilidad intrínseca. Esta propiedad única, que en principio pueden suponer una importante barrera, puede abrir un mundo completamente nuevo para las perovskitas, mucho más allá de los semiconductores estándar de hoy en día.

En el paper publicado en la revista Sciences Advances, el químico de la Universidad de Berkeley Peidong Yang y sus colegas muestran cómo la estructura cristalina de los perovskitas de haluro cambia con la temperatura, la humedad y el entorno químico, alterando sus propiedades ópticas y electrónicas. Sin un control cercano del entorno físico y químico, los dispositivos de las perovskitas son intrínsecamente inestables. Esto no es un problema importante para los semiconductores tradicionales.

“Algunas personas pueden decir que esto es una limitación fundamental. Para mí, esta es una gran oportunidad», declaró Yang. “Se trata de una nueva física: una nueva clase de semiconductores que pueden ser fácilmente reconfigurados, dependiendo del tipo de entorno en el que se pongan. Podrían ser un muy buen sensor, tal vez un muy buen fotoconductor, porque serán muy sensibles en su respuesta a la luz y a los productos químicos.»

Los semiconductores actuales hechos de silicio o nitruro de galio son muy estables en un rango de temperaturas, principalmente porque sus estructuras cristalinas se mantienen unidas por fuertes enlaces covalentes. Los cristales de perovskita halogenada se mantienen unidos por enlaces iónicos más débiles, como los de un cristal de sal. Esto significa que son más fáciles de fabricar – pueden ser evaporados de una simple solución – pero también son susceptibles a la humedad, al calor y a otras condiciones ambientales.

«Esta investigación no es sólo para mostrar que desarrollamos este LED azul», explica Yang. «También le estamos diciendo a la gente que realmente tenemos que prestar atención a la evolución estructural de las perovskitas durante el funcionamiento del dispositivo, cada vez que se manejan estas perovskitas con una corriente eléctrica, ya sea un LED, una célula solar o un transistor. Esta es una propiedad intrínseca de esta nueva clase de semiconductor y afecta a cualquier dispositivo optoelectrónico potencial en el futuro que utilice esta clase de material».

Un diodo azul de perovskita

Hacer diodos semiconductores que emitan luz azul siempre ha sido un gran desafío. El Premio Nobel de Física de 2014 fue otorgado por el gran avance en la creación de eficientes diodos emisores de luz azul a partir de nitruro de galio. Los diodos, que emiten luz cuando una corriente eléctrica fluye a través de ellos, son componentes optoelectrónicos en los circuitos de fibra óptica, así como luces LED de uso general.

Desde que las perovskitas de haluro atrajeron su atención por primera vez la atención en 2009, cuando científicos japoneses descubrieron que se pueden fabricar células solares altamente eficientes, estos cristales de fácil fabricación y bajo costo han entusiasmado a los investigadores. Hasta ahora, se han demostrado la posibilidad de desarrollar diodos emisores rojos y verdes, pero no los azules. Los diodos emisores azules de perovskita han sido inestables, es decir, su color cambia a longitudes de onda más largas y rojas con el uso.

Como descubrieron Yang y sus colegas, esto se debe a la naturaleza única de la estructura cristalina de los perovskitas. Las perovskitas de haluro están compuestas por un metal, como el plomo o el estaño, un número igual de átomos más grandes, como el cesio, y tres veces el número de átomos de haluro, como el cloro, el bromo o el yodo.

Cuando estos elementos se mezclan en una solución y luego se secan, los átomos se reúnen en un cristal, al igual que la sal se cristaliza en el agua de mar. Utilizando una nueva técnica y los ingredientes cesio, plomo y bromo, los químicos de la UC Berkeley y del Berkeley Lab crearon cristales de perovskita que emiten luz azul y luego los bombardearon con rayos X en el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) para determinar su estructura cristalina a varias temperaturas. Encontraron que, cuando se calentaban desde la temperatura ambiente (alrededor de 300 Kelvin) hasta alrededor de 450 Kelvin, una temperatura de operación común para los semiconductores, la estructura aplastada del cristal se expandía y eventualmente saltaba a una nueva configuración ortorrómbica o tetragonal.

Como la luz emitida por estos cristales depende de la disposición y las distancias entre los átomos, el color también cambió con la temperatura. Un cristal de perovskita que emitía luz azul (450 nanómetros de longitud de onda) a 300 Kelvin emitió repentinamente luz azul-verde a 450 Kelvin.

Yang atribuye la estructura cristalina flexible de la perovskita a los enlaces iónicos más débiles típicos de los átomos de haluro. El mineral natural de la perovskita incorpora oxígeno en lugar de haluros, produciendo un mineral muy estable. Los semiconductores con base de silicio y de nitruro de galio son igualmente estables porque los átomos están unidos por fuertes enlaces covalentes.

Haciendo perovskitas de emisión azul

Según Yang, los diodos de perovskita emisores de azul han sido difíciles de crear porque la técnica estándar de hacer crecer los cristales como una película fina fomenta la formación de estructuras cristalinas mixtas, cada una de las cuales emite en una longitud de onda diferente. Los electrones se canalizan hacia esos cristales con la menor distancia entre bandas, es decir, el menor rango de energías no permitidas, antes de emitir luz, que tiende a ser roja.

Para evitar esto, los investigadores cultivaron cristales de perovskita en una sola capa y, adaptando un método de baja tecnología para crear grafeno, usaron cinta adhesiva para despegar una sola capa de perovskita uniforme. Cuando se incorporó a un circuito y se electrificó, la perovskita brilló en azul. La longitud de onda del azul real variaba con el número de capas de cristales octaédricos de perovskita, que están separados entre sí por una capa de moléculas orgánicas que permite una fácil separación de las capas de perovskita y también protege la superficie.

Sin embargo, los experimentos de SLAC mostraron que las perovskitas emisoras de azul cambiaban sus colores de emisión con la temperatura. Esta propiedad puede tener aplicaciones interesantes, dijo Yang. Hace dos años, demostró cómo se podía desarrollar una ventana hecha de perovskita de haluro que se oscurece con el sol y se vuelve transparente cuando el sol se pone y también produce energía fotovoltaica.

«Necesitamos pensar en diferentes formas de usar esta clase de semiconductor. No deberíamos poner las perovskitas de haluro en el mismo entorno de aplicación que un semiconductor covalente tradicional, como el silicio. Tenemos que darnos cuenta de que esta clase de material tiene propiedades estructurales intrínsecas que lo hacen listo para reconfigurarse. Deberíamos utilizar eso», concluye Yang.