Cristais usados em aplicações tão diversas como lasers, LEDs e semicondutores usados em sensores para instrumentos astronômicos poderão um dia ser “puxados” em vez de “crescidos”, resultando em maior desempenho e menor custo.
Uma equipe liderada por Elad Harrell, da Michigan State University, usou lasers para aquecer nanopartículas de ouro e, em seguida, desencadear a formação de cristais em uma solução de perovskita de haleto de chumbo. Assim, usando novamente um laser para mover as nanopartículas de ouro, o cristal poderia, teoricamente, ser “atraído” para o local exato desejado em um dispositivo eletrônico.
“Em um dispositivo, pode ser necessário colocar quantidades muito pequenas de material cristalino em locais muito específicos”, disse Harrell ao Space.com.
A nova técnica de Harrell explora um fenômeno chamado “aquecimento de plasma” para recuperar algum controle sobre a formação de cristais. Em experimentos de laboratório, a equipe de Harel disparou um laser de 660 nanômetros comprimento de onda As nanopartículas de ouro na câmara de reação assentam sobre um substrato de vidro borossilicato preenchido com uma solução precursora de perovskita de haleto de chumbo sobre a qual os cristais serão “atraídos”.
As nanopartículas de ouro são minúsculas, com menos de um milésimo da largura de um fio de cabelo humano. Portanto, todo o processo deve ser extremamente preciso e pode ser observado em tempo real usando microscopia de alta velocidade com taxas de quadros em escalas de tempo inferiores a milissegundos.
“A razão pela qual usamos nanopartículas de ouro é porque elas atuam como pequenos aquecedores”, disse Harrell. “Quando um laser atinge uma partícula na frequência certa, causa eletrônico Oscila em ouro, gerando calor. “
Trata-se do aquecimento por plasma, que leva a solução precursora a cristalizar no local exato que a equipe de Harrell deseja.
Os cristais de perovskita de haleto de chumbo apresentam alto desempenho em células solares e LEDs, mas não são o único tipo de cristal usado em eletrônica. Por exemplo, semicondutores em instrumentação de infravermelho médio (MIRI) Telescópio Espacial James Webb Cristais de silício dopados com arsênico. Harrell espera que esta técnica de aquecimento por plasma possa ser aplicada a outros cristais, mas é particularmente útil para perovskitas de haleto de chumbo porque elas têm algumas propriedades bastante incomuns.
“O que há de especial nessas perovskitas é que à medida que a temperatura aumenta, a solubilidade diminui, causando a cristalização”, disse ele. “A maioria dos materiais não exibe esta propriedade de solubilidade inversa; geralmente à medida que a temperatura aumenta, a solubilidade aumenta.”
No entanto, pode haver uma maneira de contornar esse problema: a hesitação dos elétrons excitados. Harrell disse que além de gerar calor, os elétrons poderiam, em princípio, participar diretamente das reações químicas de formação de cristais, promovendo assim a formação de cristais.
“Precisamos trabalhar mais para generalizar esse conceito para outros materiais, mas estamos confiantes de que funcionará”, disse ele.
As vantagens de uma formação de cristais mais barata, rápida e precisa são claras. Os cristais são usados em tudo, desde telas sensíveis ao toque, alarmes de fumaça, painéis solares, equipamentos de imagens médicas até a maioria dos dispositivos optoeletrônicos e fotodetectores.
“Esta é uma maneira muito simples de usar um laser de baixo custo”, disse Harrell. “Isso também economiza significativamente nos custos de fabricação porque os cristais podem ser colocados exatamente onde e quando são necessários.”
Dada a importância dos cristais para a detecção astronômica, as técnicas para mapeá-los poderiam até levar ao lançamento de instrumentos de baixo custo em futuras missões espaciais.
O próximo passo é usar vários lasers de vários comprimentos de onda para tentar “desenhar” padrões de cristal mais complexos e, em seguida, começar a testá-los em dispositivos reais para ver se eles podem realmente fornecer melhores padrões de desempenho a um custo menor. “Isso é algo que estamos investigando agora”, disse Harrell.
Esta nova técnica para ‘desenhar’ cristais é publicada na revista ACS Nano.
