Universal Synthesis of Large-Area Hybrid Perovskite Monolayers Enabling Lithography-Free, Low-Static-Power Optoelectronics
Questo articolo presenta una strategia universale di ingegneria sterica con solvente ternario che supera i limiti di crescita tradizionali per sintetizzare perovskiti ibride monostrato su grande area, consentendo la fabbricazione di dispositivi optoelettronici privi di litografia con un consumo di potenza statica ultra-basso.
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Nel mondo dell'elettronica moderna, i materiali che catturano la luce e la trasformano in elettricità sono spesso spessi, ingombranti e difficili da modellare. Per anni, gli scienziati sono stati attratti da una specifica famiglia di cristalli chiamati perovskiti ibride perché sono eccezionalmente bravi a gestire la luce e l'elettricità. Questi materiali sono costruiti come un sandwich: strati di atomi di metallo e sale sono separati da strati di molecole organiche. Quando questi cristalli vengono realizzati molto sottili, fino a un singolo foglio di atomi, si comportano in modi nuovi e affascinanti, offrendo il potolo per dispositivi elettronici incredibilmente efficienti e sensibili. Tuttavia, realizzare questi singoli fogli è stata una lotta persistente. In una soluzione liquida, questi cristalli tendono a crescere verso l'alto, accumulandosi in pile spesse e disordinate invece di distendersi in fogli piatti e ampi. Inoltre, quando i ricercatori cercano di tagliare questi minuscoli fogli in forme specifiche per realizzare dispositivi, le sostanze chimiche utilizzate nel processo di taglio spesso dissolvono o danneggiano il materiale delicato, rovinando il lavoro.
Un team di ricercatori della Monash University e della RMIT University in Australia ha trovato un modo per risolvere entrambi questi problemi contemporaneamente. Hanno sviluppato un nuovo metodo per far crescere questi cristalli come vasti, piatti fogli a strato singolo direttamente da una soluzione liquida, e hanno dimostrato che questi grandi fogli possono essere trasformati in dispositivi elettronici funzionanti senza utilizzare alcuna sostanza chimica aggressiva. La chiave del loro successo è stata un accorgimento intelligente alla miscela liquida utilizzata per far crescere i cristalli. Aggiungendo tipi specifici di alcol e una molecola di ammina a catena lunga alla soluzione, sono stati in grado di guidare delicatamente i cristalli a distendersi lateralmente invece di impilarsi. Questa tecnica ha permesso loro di creare fogli di materiale che sono oltre mille volte più grandi in superficie rispetto a quanto fosse precedentemente possibile con i metodi standard. Poiché questi fogli sono così grandi, i ricercatori hanno potuto posizionare contatti metallici su di essi utilizzando una semplice maschera fisica, proprio come usare uno stencil per dipingere a bomboletta, evitando completamente i solventi chimici dannosi che di solito distruggono questi materiali.
I ricercatori hanno testato questo approccio utilizzando un materiale modello composto da rame, cloro e molecole organiche, e hanno scoperto che la dimensione e la forma delle molecole di alcol aggiunte alla miscela facevano una enorme differenza. Molecole di alcol più corte aiutavano i cristalli a formarsi, ma le catene più lunghe, specificamente quelle con quattro atomi di carbonio, erano le più efficaci. Queste catene più lunghe agivano come una barriera protettiva, impedendo ai cristalli di raggrupparsi e impilarsi l'uno sull'altro. Allo stesso tempo, aiutavano a organizzare i mattoni del cristallo nel liquido in modo che preferissero attaccarsi ai bordi del foglio in crescita, rendendo il foglio sempre più largo. I ricercatori hanno anche scoperto che il tasso di evaporazione più lento di questi alcoli più lunghi manteneva l'ambiente liquido attivo per un tempo più lungo, dando ai cristalli più tempo per crescere grandi prima che il liquido si asciugasse. Questo processo non era limitato a un solo tipo di materiale; il team ha utilizzato con successo lo stesso metodo per far crescere grandi, sottili fogli usando metalli diversi come piombo e manganese, e diverse molecole organiche, dimostrando che la loro tecnica è uno strumento universale per creare questi materiali.
Per dimostrare che questi grandi, puliti fogli potessero effettivamente essere utilizzati in dispositivi reali, il team ha costruito semplici canali elettronici utilizzando una versione del materiale a base di piombo. Poiché i fogli erano così grandi, potevano posizionare elettrodi d'oro su di essi senza mai esporre il cristallo alle sostanze chimiche aggressive solitamente richieste per questo passaggio. I risultati sono stati sorprendenti. I dispositivi realizzati da questi fogli pristini, a strato singolo, avevano un livello incredibilmente basso di rumore elettrico di fondo, noto come corrente oscura, ovvero l'elettricità che fluisce anche quando non è presente la luce. Questo rumore di fondo è stato ridotto di un fattore di 250 rispetto ai dispositivi realizzati da scaglie più piccole e spesse cresciute con metodi più vecchi. In termini pratici, ciò significa che i nuovi dispositivi consumano quasi nulla quando sono semplicemente inattivi, utilizzando solo una minuscola frazione di un picowatt di energia. Quando la luce colpisce questi dispositivi, essi rispondono con forza, mantenendo un alto contrasto tra il segnale e il rumore. Questo traguardo suggerisce che è ora possibile costruire una nuova generazione di sensori e rilevatori elettronici a bassissimo consumo, che siano sia altamente sensibili che incredibilmente efficienti dal punto di vista energetico, aprendo la porta ad applicazioni che erano precedentemente impossibili a causa dei limiti dei materiali stessi.
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