Strong Impact of Halide Ordering on Structural Phase Transitions in Mixed Perovskites

Las células solares y los diodos emisores de luz que son baratos, eficientes y fáciles de fabricar dependen a menudo de una familia específica de materiales conocidos como perovskitas. Estos cristales están construidos a partir de un patrón repetitivo de átomos que pueden modificarse fácilmente intercambiando un tipo de átomo por otro, lo que permite a los científicos ajustar cómo el material interactúa con la luz. Sin embargo, cuando los investigadores mezclan diferentes tipos de átomos para crear estos materiales personalizados, los átomos no siempre se mantienen perfectamente mezclados. En su lugar, pueden separarse en regiones distintas o disponerse en patrones inesperados, lo que puede desestabilizar el material y arruinar el rendimiento de un dispositivo. Comprender exactamente cómo se comportan estos átomos cuando se mezclan, y cómo se organizan a medida que cambia la temperatura, es esencial para construir electrónica estable y duradera.

Un equipo de investigadores ha utilizado ahora simulaciones informáticas avanzadas para descubrir una regla oculta que rige cómo se comportan estos cristales mixtos. Al crear un modelo digital altamente preciso de los átomos, pudieron observar cómo los materiales cambian con el tiempo y la temperatura de una manera que es difícil de lograr en un laboratorio físico. Se centraron en cristales hechos de plomo combinados con tres elementos de haluro diferentes: bromo, cloro y yodo. Si bien se sabía que estos elementos a veces se niegan a mezclarse, los investigadores descubrieron que, incluso cuando se mezclan, no permanecen aleatorios. En su lugar, los átomos prefieren alinearse en capas específicas, con ciertos elementos agrupándose en las posiciones superior e inferior del cristal mientras otros ocupan los lados.

Los investigadores entrenaron un potente programa informático utilizando datos de cálculos de física cuántica para que actuara como un laboratorio virtual. Este programa, conocido como un potencial interatómico aprendido por aprendizaje automático, les permitió simular millones de átomos moviéndose y desplazándose a lo largo del tiempo. Probaron tres combinaciones diferentes de haluros para ver cómo se organizaban los átomos a medida que la temperatura subía y bajaba. Las simulaciones revelaron que, en los tres sistemas, los átomos tienden a separarse en capas basadas en su tamaño. En algunas mezclas, los átomos más grandes prefieren los lugares superiores e inferiores, mientras que en otras, prefieren el medio. Esta estratificación ocurre incluso cuando los átomos están mezclados globalmente por todo el cristal, creando un orden interno sutil pero poderoso.

Este orden interno tiene un efecto dramático en cuándo el material cambia su forma. Los cristales a menudo cambian de una estructura geométrica a otra a medida que se calientan, de forma muy similar a como el hielo se derrite en agua. Los investigadores descubrieron que cuando se permite que los átomos se asienten en su disposición por capas preferida, la temperatura en la que estos cambios de forma ocurren puede desplazarse hasta 100 grados. En una mezcla específica de bromo y yodo, este efecto es particularmente fuerte y ocurre a temperaturas relevantes para dispositivos del mundo real. Las simulaciones mostraron que si los átomos se ven obligados a permanecer en un estado aleatorio y mezclado, el material cambia de forma a una temperatura diferente que si se les permite organizarse. Esto explica por qué los experimentos del mundo real muestran a veces una relación compleja y no lineal entre la mezcla de ingredientes y la temperatura a la que el material cambia. Los investigadores sugieren que los átomos en los dispositivos reales probablemente se encuentran en un punto intermedio, parcialmente ordenados pero no totalmente asentados, lo que crea el comportamiento único observado en el laboratorio.

El estudio también exploró qué sucede cuando se añade un segundo tipo de átomo metálico a la mezcla para reemplazar parte del metal original. Cuando los investigadores introdujeron un átomo metálico más pequeño en la estructura, esto interrumpió la tendencia de los átomos de haluro a formar capas. Esta interrupción hizo que el material fuera más estable y redujo el rango de temperatura donde los átomos se separarían en diferentes regiones. El átomo metálico más pequeño forzó eficazmente a los átomos de haluro a mezclarse de manera más uniforme, evitando la formación de las capas distintas que estaban desplazando las temperaturas de transición. Este hallazgo sugiere que, mediante la elección cuidadosa de qué átomos metálicos incluir, los científicos pueden controlar cómo se organizan los átomos de haluro, ofreciendo una nueva forma de estabilizar estos materiales para su uso en paneles solares y LEDs.

Los investigadores confirmaron que la diferencia de tamaño entre los átomos de haluro es el principal motor de si se mezclarán o se separarán. Cuando los átomos son muy diferentes en tamaño, luchan por coexistir en el mismo espacio, lo que conduce a un rango más amplio de temperaturas donde se separan. Cuando los tamaños son más similares, se mezclan más fácilmente. Las simulaciones mostraron que el intervalo donde ocurre la separación es más amplio para la combinación de cloro y yodo, que tienen la mayor diferencia de tamaño, y más estrecho para bromo y cloro. Al añadir el átomo metálico más pequeño, los investigadores pudieron reducir este intervalo de separación para dos de las tres mezclas, haciendo que los materiales fueran más robustos.

En última instancia, el trabajo destaca que la estabilidad de estos materiales prometedores no depende solo de qué ingredientes se utilizan, sino de cómo se organizan esos ingredientes a nivel atómico. La tendencia de los átomos a formar capas es un factor clave que determina cuándo el material cambia su estructura y qué tan bien se mantiene unido. Al comprender y controlar este ordenamiento, los científicos pueden diseñar mejores materiales que sean menos propensos a degradarse con el tiempo. El estudio proporciona una hoja de ruta clara de por qué ciertas mezclas se comportan de la manera en que lo hacen y ofrece un método para predecir cómo funcionarán las nuevas combinaciones, allanando el camino para dispositivos optoelectrónicos más fiables y eficientes.