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As perovskitas haletos são uma família de materiais que têm atraído a atenção por suas propriedades optoeletrônicas superiores e potenciais aplicações em dispositivos como células solares de alto desempenho, diodos emissores de luz e lasers.
Esses materiais foram amplamente implementados em aplicações de dispositivos de tamanho de mícron ou filme fino. A integração precisa desses materiais em nanoescala pode abrir aplicações ainda mais notáveis, como fontes de luz no chip, fotodetectores e memristores. No entanto, alcançar essa integração continua sendo um desafio porque esse material delicado pode ser danificado por técnicas convencionais de fabricação e padronização.
Para superar esse obstáculo, os pesquisadores do MIT criaram uma técnica que permite que nanocristais individuais de haleto de perovskita sejam cultivados no local, onde necessário, com controle preciso sobre a localização, em menos de 50 nanômetros. (Uma folha de papel tem 100.000 nanômetros de espessura.) O tamanho dos nanocristais também pode ser controlado com precisão por meio dessa técnica, o que é importante porque o tamanho afeta suas características. Uma vez que o material é cultivado localmente com as características desejadas, não são necessárias etapas convencionais de padronização litográfica que poderiam causar danos.
A técnica também é escalável, versátil e compatível com as etapas convencionais de fabricação, permitindo que os nanocristais sejam integrados a dispositivos funcionais em nanoescala. Os pesquisadores usaram isso para fabricar matrizes de diodos emissores de luz em nanoescala (nanoLEDs) – minúsculos cristais que emitem luz quando ativados eletricamente. Essas matrizes podem ter aplicações em comunicação óptica e computação, microscópios sem lentes, novos tipos de fontes de luz quântica e telas de alta densidade e alta resolução para realidade aumentada e virtual.
“Como mostra nosso trabalho, é fundamental desenvolver novas estruturas de engenharia para a integração de nanomateriais em nanodispositivos funcionais. Ao ultrapassar os limites tradicionais de nanofabricação, engenharia de materiais e design de dispositivos, essas técnicas podem nos permitir manipular a matéria em nanoescala extrema dimensões, ajudando-nos a criar plataformas de dispositivos não convencionais importantes para atender às necessidades tecnológicas emergentes”, diz Farnaz Niroui, professor assistente de desenvolvimento de carreira da EE Landsman em engenharia elétrica e ciência da computação (EECS), membro do Laboratório de pesquisa em eletrônica (RLE) e autor sênior de um novo artigo descrevendo o trabalho.
Os co-autores de Niroui incluem a autora principal Patricia Jastrzebska-Perfect, uma estudante de pós-graduação da EECS; Weikun “Spencer” Zhu, aluno de pós-graduação do Departamento de Engenharia Química; Mayuran Saravanapavanantham, Sarah Spector, Roberto Brenes e Peter Satterthwaite, todos alunos de pós-graduação da EECS; Zheng Li, um pós-doutorando da RLE; e Rajeev Ram, professor de engenharia elétrica. A pesquisa será publicada em Natureza Comunicações.
Minúsculos cristais, enormes desafios
A integração de perovskitas de haletos em dispositivos em nanoescala no chip é extremamente difícil usando técnicas convencionais de fabricação em nanoescala. Em uma abordagem, um filme fino de perovskitas frágeis pode ser modelado usando processos litográficos, que requerem solventes que podem danificar o material. Em outra abordagem, cristais menores são formados primeiro em solução e, em seguida, retirados e colocados da solução no padrão desejado.
“Em ambos os casos há falta de controle, resolução e capacidade de integração, o que limita como o material pode ser estendido para nanodispositivos”, diz Niroui.
Em vez disso, ela e sua equipe desenvolveram uma abordagem para “crescer” cristais de haleto de perovskita em locais precisos diretamente na superfície desejada, onde o nanodispositivo será fabricado.
O núcleo do processo é localizar a solução que é usada no crescimento do nanocristal. Para isso, eles criam um modelo em nanoescala com pequenos poços que contêm o processo químico pelo qual os cristais crescem. Eles modificam a superfície do molde e o interior dos poços, controlando uma propriedade conhecida como “molhabilidade”, de modo que uma solução contendo material de perovskita não se acumule na superfície do molde e fique confinada dentro dos poços.
“Agora, você tem esses reatores muito pequenos e determinísticos dentro dos quais o material pode crescer”, diz ela.
E é exatamente isso que acontece. Eles aplicam uma solução contendo material de crescimento de haleto de perovskita ao molde e, à medida que o solvente evapora, o material cresce e forma um minúsculo cristal em cada poço.
Uma técnica versátil e ajustável
Os pesquisadores descobriram que a forma dos poços desempenha um papel crítico no controle do posicionamento do nanocristal. Se forem usados poços quadrados, devido à influência de forças em nanoescala, os cristais têm chances iguais de serem colocados em cada um dos quatro cantos do poço. Para algumas aplicações isso pode ser bom o suficiente, mas para outras é necessário ter uma precisão maior na colocação do nanocristal.
Ao alterar a forma do poço, os pesquisadores conseguiram projetar essas forças em nanoescala de forma que um cristal seja preferencialmente colocado no local desejado.
À medida que o solvente evapora dentro do poço, o nanocristal experimenta um gradiente de pressão que cria uma força direcional, com a direção exata sendo determinada usando a forma assimétrica do poço.
“Isso nos permite ter uma precisão muito alta, não apenas no crescimento, mas também na colocação desses nanocristais”, diz Niroui.
Eles também descobriram que podiam controlar o tamanho do cristal que se forma dentro de um poço. Alterar o tamanho dos poços para permitir mais ou menos solução de crescimento dentro gera cristais maiores ou menores.
Eles demonstraram a eficácia de sua técnica fabricando matrizes precisas de nanoLEDs. Nesta abordagem, cada nanocristal é transformado em um nanopixel que emite luz. Essas matrizes de nanoLED de alta densidade podem ser usadas para comunicação e computação óptica no chip, fontes de luz quântica, microscopia e exibições de alta resolução para aplicativos de realidade aumentada e virtual.
No futuro, os pesquisadores querem explorar mais aplicações potenciais para essas minúsculas fontes de luz. Eles também querem testar os limites de quão pequenos esses dispositivos podem ser e trabalhar para incorporá-los efetivamente aos sistemas quânticos. Além das fontes de luz em nanoescala, o processo também abre outras oportunidades para o desenvolvimento de nanodispositivos on-chip baseados em haleto perovskita.
Sua técnica também fornece uma maneira mais fácil para os pesquisadores estudarem materiais no nível de nanocristais individuais, que eles esperam inspirar outros a realizar estudos adicionais sobre esses e outros materiais exclusivos.
“Estudar materiais em nanoescala por meio de métodos de alto rendimento geralmente requer que os materiais sejam localizados com precisão e projetados nessa escala”, acrescenta Jastrzebska-Perfect. “Ao fornecer esse controle localizado, nossa técnica pode melhorar a forma como os pesquisadores investigam e ajustam as propriedades dos materiais para diversas aplicações”.
Este trabalho foi financiado, em parte, pela National Science Foundation e pelo MIT Center for Quantum Engineering.
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