Los nanocristales de perovskita halógena han demostrado propiedades optoelectrónicas superiores y un gran potencial en dispositivos como células solares de alto rendimiento, diodos emisores de luz y láseres. Sin embargo, integrar estos materiales a escala nanométrica ha sido un desafío debido a su sensibilidad a las técnicas convencionales de fabricación y patronización.

Ahora, investigadores del MIT han desarrollado una técnica innovadora que permite el crecimiento preciso de nanocristales de perovskita halógena en el lugar requerido, sin necesidad de pasos de litografía que puedan dañar el material. Esta técnica escalable y versátil abre nuevas posibilidades para la fabricación de dispositivos nanométricos funcionales, como el desarrollo de nanoLEDs.

Perovskita a escala nanométrica

La familia de materiales conocidos como perovskitas halógenas ha captado la atención de la comunidad científica y tecnológica debido a sus propiedades optoelectrónicas sobresalientes y su potencial aplicación en diversos dispositivos. Un ejemplo de ello es la gran amplitud de artículos que hemos publicado en smartlighting con relación a este compuesto .

Estos materiales han sido ampliamente utilizados en aplicaciones a nivel de películas delgadas o dispositivos de tamaño micrométrico. Sin embargo, la integración precisa de estos materiales a escala nanométrica podría abrir nuevas y sorprendentes aplicaciones, como fuentes de luz en chips, fotodetectores y memristores. Lamentablemente, lograr esta integración ha sido un desafío debido a la delicadeza de estos materiales, que pueden dañarse fácilmente durante las técnicas convencionales de fabricación y patronización.

Para superar este obstáculo, un equipo de investigadores del MIT ha desarrollado una técnica innovadora que permite el crecimiento de nanocristales individuales de perovskita halógena con un control preciso de la ubicación de hasta menos de 50 nanómetros. Además, esta técnica permite controlar de manera precisa el tamaño de los nanocristales, lo cual es importante debido a que el tamaño afecta sus características y propiedades. Al crecer el material localmente con las características deseadas, no se requieren los pasos convencionales de litografía que podrían dañarlo.

Esta técnica no solo es escalable y versátil, sino que también es compatible con los pasos convencionales de fabricación, lo que permite la integración de los nanocristales en dispositivos nanométricos funcionales. Los investigadores utilizaron esta técnica para fabricar matrices de nanoLEDs (diodos emisores de luz a escala nanométrica): diminutos cristales que emiten luz cuando se activan eléctricamente. Estas matrices podrían tener aplicaciones en comunicación y computación óptica, microscopios sin lentes, nuevos tipos de fuentes de luz cuántica y pantallas de alta densidad y alta resolución para aplicaciones de realidad aumentada y virtual.

La profesora Farnaz Niroui, profesora asistente EE Landsman de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) y autora principal del estudio, destaca la importancia de desarrollar nuevos marcos de ingeniería para la integración de nanomateriales en nanodispositivos funcionales. Al superar las barreras tradicionales de la nanofabricación, la ingeniería de materiales y el diseño de dispositivos, estas técnicas permiten manipular la materia a escalas nanométricas extremas, lo que resulta fundamental para desarrollar plataformas de dispositivos no convencionales que son importantes para abordar las necesidades tecnológicas emergentes.

Pequeños cristales, enormes desafíos

El equipo de investigadores logró este avance al crear una plantilla a escala nanométrica con pequeños pozos que contienen el proceso químico de crecimiento de los cristales. Modificaron la superficie de la plantilla y el interior de los pozos para controlar una propiedad conocida como «mojabilidad» (wettability), evitando que la solución que contiene el material de perovskita se extienda sobre la superficie de la plantilla y confinándola dentro de los pozos.

La aplicación de una solución que contiene el material de crecimiento de perovskita a la plantilla permite que, a medida que el solvente se evapora, el material crezca y forme un nanocristal en cada pozo. Los investigadores descubrieron que la forma de los pozos desempeña un papel crucial en el control de la posición de los nanocristales. Al cambiar la forma del pozo, pudieron ingeniar fuerzas a escala nanométrica de tal manera que un cristal se coloque preferentemente en la ubicación deseada.

A medida que el solvente se evapora dentro del pozo, el nanocristal experimenta un gradiente de presión que crea una fuerza direccional, cuya dirección exacta se determina mediante la forma asimétrica del pozo. Esto permite un crecimiento y una colocación de nanocristales de alta precisión.

Además, los investigadores descubrieron que pueden controlar el tamaño del cristal que se forma dentro de cada pozo. Cambiar el tamaño de los pozos para permitir más o menos solución de crecimiento genera cristales más grandes o más pequeños.

Para demostrar la efectividad de su técnica, los investigadores fabricaron precisas matrices de nanoLEDs. En este enfoque, cada nanocristal se convierte en un nanopíxel que emite luz. Estas matrices de nanoLEDs de alta densidad podrían utilizarse en comunicación y computación óptica en chips, fuentes de luz cuántica, microscopios y pantallas de alta resolución para aplicaciones de realidad aumentada y virtual.

En el futuro, los investigadores quieren explorar más aplicaciones potenciales para estas diminutas fuentes de luz. También quieren probar los límites del tamaño de estos dispositivos y trabajar para incorporarlos eficazmente a sistemas cuánticos. Más allá de las fuentes de luz a nanoescala, el proceso también abre otras oportunidades para desarrollar nanodispositivos en chip basados en haluros de perovskita.

Puede acceder al paper de la investigación a través del siguiente enlace:

https://www.nature.com/articles/s41467-023-39488-0

Créditos de Imagen de portada: Sampson Wilcox, MIT RL