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Ao controlar o arranjo de múltiplas camadas inorgânicas e orgânicas dentro dos cristais usando uma nova técnica, pesquisadores da Duke University e da Purdue University mostraram que podem controlar os níveis de energia de elétrons e buracos (portadores de carga positiva) dentro de uma classe de materiais chamados perovskitas. Essa sintonia influencia as propriedades optoeletrônicas dos materiais e sua capacidade de emitir luz de energias específicas, demonstrada por sua capacidade de funcionar como fonte de lasers.
Aparecendo on-line em 31 de agosto na revista Química da Natureza, a pesquisa é o resultado de uma estreita colaboração entre diversas equipes experimentais e teóricas. As equipes experimentais sintetizam os materiais e caracterizam suas propriedades, enquanto a equipe teórica realiza simulações computacionais para prever a estrutura eletrônica e as propriedades dos materiais.
Uma base importante do trabalho computacional é um investimento de longa data na criação de códigos de simulação computacional para propriedades de materiais. “Investimos quase 20 anos para podermos fazer esse tipo de cálculo em sistemas maiores”, disse Volker Blum, professor associado de engenharia mecânica e ciência de materiais na Duke. “Este estudo envolveu a simulação de estruturas que incluíam até cerca de 900 átomos com uma metodologia avançada, que requer supercomputadores poderosos que possam lidar com alguns dos maiores cálculos do planeta”.
Os materiais perovskita são uma classe de compostos que têm ganhado atenção significativa no campo da ciência dos materiais devido às suas propriedades únicas, principalmente na área de semicondutores. Esses materiais, que são definidos por sua estrutura cristalina específica, podem ser utilizados em aplicações como diodos emissores de luz (LEDs), células solares e lasers.
O artigo concentra-se no refinamento do controle estrutural de materiais de perovskita em camadas com incorporação de semicondutores orgânicos. Embora esses tipos de perovskitas tenham sido feitos antes com camadas únicas de componentes orgânicos e inorgânicos (inclusive na pesquisa pioneira de David B. Mitzi, que agora é professor da Duke), a capacidade de controlar com precisão a espessura do componente inorgânico e, assim, , ajustar as propriedades do material, permaneceu indefinido para essas “perovskitas incorporadas com semicondutores orgânicos” mais complexas.
De acordo com suas descobertas, os componentes orgânicos adicionados às camadas inorgânicas afetam as propriedades dos semicondutores, como os níveis de energia e a emissão de luz. Ao controlar cuidadosamente o arranjo dos átomos e o número de camadas nessas estruturas, os pesquisadores podem ajustar as propriedades ópticas e eletrônicas do material resultante.
A sua investigação também aborda desafios na síntese destes materiais, incluindo a necessidade de misturar diferentes componentes que podem não se dissolver facilmente no mesmo solvente, como tentar misturar óleo e sal em água. Alcançar camadas e alinhamento precisos em estruturas maiores torna-se mais complexo.
“É como pegar sal e azeite e tentar misturá-los com água”, explicou Blum. “Um se dissolve e o outro não. E se você tentar usar gasolina em vez de água, você acaba com o mesmo problema. Nossos colaboradores conseguiram encontrar uma maneira de colocar ambos em solução e secar em cristais ordenados, e nós estávamos capaz de modelar esses cristais para ajudar a explicar como eles funcionam.”
Enquanto Blum liderou o esforço para simular e caracterizar computacionalmente esses materiais, Letian Dou, professor associado de engenharia química Charles Davidson na Purdue University, liderou o esforço geral para sintetizar e caracterizar essas estruturas de perovskita em camadas.
Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation (2110706-DMR, DMR-1729297, CHE 1625543), pelo Departamento de Energia (DE-SC0022082, DE-AC02-05CH11231, DE-AC02-05CH11231) e pela New Cornerstone Science Foundation. .
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