El empleo de las perovskitas marcará la gran diferencia en la futura generación de equipos electrónicos

En un estudio realizado en la Universidad de Campinas en colaboración con la University of Michigan y publicado como artículo en Science Advances, se explicó la física que opera a nanoescala en estos materiales fabricados en laboratorio

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Los puntos cuánticos son nanopartículas de materiales semiconductores compuestas tan solo por algunos miles de átomos. Esta reducida cantidad atómica hace que dichos puntos posean propiedades que constituyen un término medio entre las de las moléculas, que poseen unos pocos átomos, y las de los materiales sólidos, formados por un enorme número de ellos. Esto hace posible interferir, mediante un control adecuado del tamaño y de la forma de las nanopartículas, en sus propiedades electrónicas, esto es, moldear de qué manera se unen y se mueven por el material los electrones, y ópticas, es decir, hacer lo propio con el modo a través del cual el material absorbe y emite luz.

El control del tamaño y de la forma de las nanopartículas ha viabilizado su uso en aplicaciones comerciales, algunas ya disponibles, tales como los láseres, los LED y los televisores con tecnologías de puntos cuánticos.

Pero existe un problema que puede ir en detrimento de la eficiencia de los dispositivos que emplean estos nanomateriales como medio activo: cuando un material absorbe luz, los electrones pasan a niveles superiores de energía. Y al retornar a su estado fundamental, cada uno de ellos puede emitir un fotón de luz de regreso al ambiente. En los puntos cuánticos convencionales, este camino de vuelta de los electrones a su estado fundamental puede verse perturbado por otros fenómenos cuánticos, retardando así la emisión luminosa hacia el exterior.

El aprisionamiento de los electrones en algunos estados cuánticos, que constituye lo que se denomina como “estado oscuro” retarda la emisión luminosa, en contraste con el camino que permite el retorno rápido de los electrones al nivel fundamental y, por ende, la emisión de luz de manera más eficiente y directa, caracterizado como “estado claro”.

Con todo, existe un nuevo tipo de nanomateriales fabricados con perovskitas, en el cual este retraso puede ser menor. Por este motivo, las perovskitas se han transformado en el actual centro de las atenciones en el campo de la ciencia de nanomateriales, movilizando grandes esfuerzos de investigación (lea más en: agencia.fapesp.br/32722/). 

Un estudio a cargo de investigadores de los Institutos de Química y de Física de la Universidad de Campinas (Unicamp), en Brasil, en colaboración con científicos de la University of Michigan, en Estados Unidos, ha avanzado bastante en este sentido, suministrando nuevos insights sobre la física fundamental que opera en los puntos cuánticos de perovskita. Y un artículo al respecto salió publicado en la revista Science Advances.

“En este trabajo aplicamos una técnica de espectroscopía coherente que permite evaluar por separado el comportamiento de los electrones de cada nanomaterial en un conjunto de decenas de miles de millones de nanomateriales. Lo inédito de nuestro estudio reside en que combinó un tipo de nanomateriales relativamente nuevos, las perovskitas, con una técnica de detección completamente nueva”, le comenta Lázaro Padilha Junior, el coordinador brasileño de la investigación, a Agência FAPESP.

El estudio contó con aportes de la FAPESP en el marco del Programa de Apoyo a Jóvenes Investigadores y de una Ayuda de Investigación Regular concedida a Padilha.

“Fue posible averiguar el alineamiento energético entre los estados claros [asociados a tripletes] y el estado oscuro [asociado a singletes], indicando de qué manera ese alineamiento depende del tamaño del nanomaterial, aparte de revelar información al respecto de las interacciones entre esos estados. Esto puede abrir espacio para el uso de estos sistemas en otras áreas de la tecnología, como la de la información cuántica”, afirma el investigador.

Y lo explica: “Debido a la estructura cristalina de las perovskitas, su nivel claro de energía se divide en tres formando un triplete. Esto abre varios caminos para la excitación y la vuelta de los electrones a su estado fundamental. El resultado más impactante de este trabajo fue que, mediante el análisis de los tiempos de vida de cada uno de los tres niveles claros y de las características de la señal emitida por la muestra, recabamos evidencias de que el nivel oscuro está presente, pero se ubica en un nivel de energía mayor que dos de los tres niveles claros. Esto significa que, al iluminar la muestra, los electrones excitados solamente quedarán retenidos en caso de que ocupen el más alto nivel claro y después se desplacen hacia el nivel oscuro. En caso de que ocupen los niveles claros más bajos, regresarán a sus estados fundamentales de manera más eficiente”.

Para estudiar de qué manera interactúan con la luz los electrones en esos materiales, el grupo se valió de la técnica de espectroscopía multidimensional coherente (EMC), iluminando una muestra de puntos cuánticos de perovskita enfriados a - 269 grados Celsius mediante una serie de pulsos de láser ultracortos (con una duración de aproximadamente 80 femtosegundos, es decir, 80 milbillonésimas de segundo).

“Los pulsos llegan a la muestra a intervalos de tiempo muy bien controlados. Y al modificar este intervalo de tiempo y detectar la luz que la emite la muestra en función del intervalo, podemos mapear con gran precisión temporal la interacción de los electrones con la luz y su dinámica: los tiempos característicos de interacción, los niveles de energía con los cuales se acoplan y la interacción con otras partículas”, informa Padilha.

La técnica utilizada permite interrogar a miles de millones de nanopartículas al mismo tiempo, diferenciando a las distintas familias de nanopartículas presentes en la muestra.

Este sistema experimental se desarrolló bajo la responsabilidad del profesor Steven Cundiff, coordinador del estudio en Michigan, y las mediciones estuvieron en parte a cargo de Diogo Almeida, quien integró el grupo de Cundiff y que actualmente, bajo la supervisión de Padilha, es becario de posdoctorado de la FAPESP en el laboratorio de espectroscopía ultrarrápida de la Unicamp.

La síntesis de los puntos cánticos fue de responsabilidad del alumno de doctorado Luiz Gustavo Bonato, del Instituto de Química de la Unicamp. “El trabajo y el protocolo implementado por Bonato para la preparación de esos puntos cuánticos fueron fundamentales, pues tienen reflejos no solamente en la calidad sino también en el tamaño y en las propiedades del material nanométrico”, comenta Ana Flávia Nogueira, otra coordinadora del estudio en Brasil. Nogueira es docente del Instituto de Química de la Unicamp e investigadora responsable de la División de Investigación 1 del Centro de Innovación en Nuevas Energías (CINE), un Centro de Investigaciones en Ingeniería (CPE) constituido por la FAPESP y la petrolera Shell.

“El resultado obtenido es sumamente importante, pues el conocimiento de las propiedades ópticas del material y del comportamiento de sus electrones allana el camino hacia el desarrollo de nuevas tecnologías en óptica y electrónica de semiconductores. La incorporación de las perovskitas se erigirá muy probablemente como la gran diferencia de los próximos televisores”, culmina Nogueira.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Multidimensional coherent spectroscopy reveals triplet state coherences in cesium lead-halide perovskite nanocrystals en el siguiente enlace: https://advances.sciencemag.org/content/7/1/eabb3594.