Una nueva plataforma en el MIT permite a los investigadores «cultivar» nanocristales de haluro de perovskita con un control preciso sobre la ubicación y el tamaño de cada cristal individual integrándolos en diodos emisores de luz a nanoescala. La foto es una representación de una serie de nanocristales que emiten luz. Crédito: Cortesía de Sampson Wilcox, RLE
Una nueva técnica produce nanocristales de perovskita exactamente donde se necesitan, por lo que los materiales extremadamente delicados pueden integrarse en dispositivos a nanoescala.
Investigadores del MIT han desarrollado un método innovador para hacer crecer con precisión nanocristales de haluro de perovskita, eliminando la necesidad de técnicas de fabricación dañinas. La técnica ayuda en el desarrollo de nanoLED y otros dispositivos funcionales a nanoescala, con potencial para avances en comunicación óptica, computación y tecnología de visualización de alta resolución.
Las perovskitas de haluro son una familia de materiales que han atraído la atención por sus propiedades optoelectrónicas superiores y sus posibles aplicaciones en dispositivos como células solares de alto rendimiento, diodos emisores de luz y láseres.
Estos materiales se han implementado ampliamente en aplicaciones de dispositivos de película fina o de tamaño micrométrico. La integración precisa de estos materiales a nanoescala podría abrir aplicaciones aún más notables, como fuentes de luz en chips, fotodetectores y memristores. Sin embargo, lograr esta integración sigue siendo un desafío porque este material delicado puede dañarse con las técnicas convencionales de fabricación y estampado.
Para superar este obstáculo, los investigadores del MIT crearon una técnica que permite cultivar nanocristales de perovskita individuales en el lugar donde se necesitan, con un control preciso de la ubicación, en menos de 50 nanómetros. (Una hoja de papel tiene un grosor de 100 000 nanómetros). El tamaño de los nanocristales también se puede controlar con precisión usando esta técnica, lo cual es importante porque el tamaño afecta sus características. Dado que el material se cultiva localmente con las características deseadas, no se requieren pasos de modelado litográfico convencional que podrían causar daño.
Las matrices de NanoLED como la que se muestra aquí podrían tener aplicaciones en comunicación óptica y computación, microscopios sin lentes, nuevos tipos de fuentes de luz cuántica y pantallas de alta densidad y alta resolución para realidad aumentada y virtual. Crédito: Cortesía de los investigadores.
La técnica también es escalable, versátil y compatible con los pasos de fabricación convencionales, lo que permite integrar nanocristales en dispositivos funcionales a nanoescala. Los investigadores utilizaron esto para fabricar conjuntos de diodos emisores de luz a nanoescala (nanoLED), pequeños cristales que emiten luz cuando se activan eléctricamente. Estos conjuntos podrían tener aplicaciones en comunicación óptica y computación, microscopios sin lentes, nuevos tipos de fuentes de luz cuántica y pantallas de alta densidad y alta resolución para realidad aumentada y virtual.
“Como muestra nuestro trabajo, es fundamental desarrollar nuevas estructuras de ingeniería para la integración de nanomateriales en nanodispositivos funcionales. Al ampliar los límites tradicionales de la nanofabricación, la ingeniería de materiales y el diseño de dispositivos, estas técnicas pueden permitirnos manipular la materia en dimensiones extremas a nanoescala, ayudándonos a crear importantes plataformas de dispositivos no convencionales para satisfacer las necesidades tecnológicas emergentes», dice Farnaz Niroui, profesor asistente de desarrollo profesional en Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) de EE Landsman, miembro del Laboratorio de Investigación en Electrónica (RLE) y autor principal de un nuevo artículo que describe el trabajo.
Los coautores de Niroui incluyen a la autora principal Patricia Jastrzebska-Perfect, estudiante de posgrado en EECS; Weikun “Spencer” Zhu, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Química; Mayuran Saravanapavanantham, Sarah Spector, Roberto Brenes y Peter Satterthwaite, todos estudiantes de posgrado de EECS; Zheng Li, becario postdoctoral en RLE; y Rajeev Ram, profesor de ingeniería eléctrica. La investigación fue publicada el 6 de julio en la revista Nature Communications.
Cristales diminutos, grandes desafíos
La integración de perovskitas de haluro en dispositivos a nanoescala en chip es extremadamente difícil utilizando técnicas de fabricación a nanoescala convencionales. En un enfoque, se puede modelar una película delgada de perovskitas quebradizas mediante procesos litográficos, que requieren solventes que pueden dañar el material. En otro enfoque, los cristales más pequeños se forman primero en solución y luego se sacan de la solución y se colocan en el patrón deseado.
“En ambos casos, falta capacidad de control, resolución e integración, lo que limita la extensión del material a los nanodispositivos”, dice Niroui.
En cambio, ella y su equipo desarrollaron un enfoque para «cultivar» cristales de haluro de perovskita en ubicaciones precisas directamente sobre la superficie deseada donde se fabricará el nanodispositivo.
El núcleo del proceso es localizar la solución que se utiliza para hacer crecer el nanocristal. Para ello, crean un modelo a nanoescala con diminutos pozos que contienen el proceso químico por el que crecen los cristales. Modifican la superficie del molde y el interior de los pozos, controlando una propiedad conocida como “humectación” para que una solución que contenga material de perovskita no se acumule en la superficie del molde y quede atrapada dentro de los pozos.
“Ahora, tienes estos reactores deterministas muy pequeños en los que el material puede crecer”, dice ella.
Y eso es exactamente lo que sucede. Aplican una solución que contiene material de crecimiento de haluro de perovskita al molde y, a medida que el solvente se evapora, el material crece y forma un cristal diminuto en cada pocillo.
Una técnica versátil y ajustable
Los investigadores descubrieron que la forma de los pozos juega un papel fundamental en el control del posicionamiento del nanocristal. Si se utilizan pozos cuadrados, debido a la influencia de las fuerzas a nanoescala, los cristales tienen la misma posibilidad de colocarse en cada una de las cuatro esquinas del pozo. Para algunas aplicaciones esto puede ser suficiente, pero para otras es necesario tener una mayor precisión en la colocación del nanocristal.
Al cambiar la forma del pozo, los investigadores pudieron proyectar estas fuerzas a nanoescala para que un cristal se coloque preferentemente en la ubicación deseada.
A medida que el solvente se evapora dentro del pozo, el nanocristal experimenta un gradiente de presión que crea una fuerza direccional, y la dirección exacta se determina utilizando la forma asimétrica del pozo.
“Esto nos permite tener una precisión muy alta, no solo en el crecimiento, sino también en la colocación de estos nanocristales”, dice Niroui.
También descubrieron que podían controlar el tamaño del cristal que se forma dentro de un pozo. Cambiar el tamaño de los pocillos para permitir un mayor o menor crecimiento de solución en el interior genera cristales más grandes o más pequeños.
Demostraron la eficacia de su técnica al fabricar matrices precisas de nanoLED. En este enfoque, cada nanocristal se transforma en un nanopíxel que emite luz. Estas matrices de nanoLED de alta densidad se pueden utilizar para computación y comunicación óptica en chip, fuentes de luz cuántica, microscopía y pantallas de alta resolución para aplicaciones de realidad virtual y aumentada.
En el futuro, los investigadores quieren explorar más aplicaciones potenciales para estas diminutas fuentes de luz. También quieren probar los límites de cuán pequeños pueden ser estos dispositivos y trabajar para incorporarlos de manera efectiva en los sistemas cuánticos. Además de las fuentes de luz a nanoescala, el proceso también abre otras oportunidades para el desarrollo de nanodispositivos en chip basados en haluro de perovskita.
Su técnica también proporciona una forma más fácil para que los investigadores estudien materiales a nivel de nanocristales individuales, lo que esperan inspire a otros a realizar más estudios sobre estos y otros materiales únicos.
“El estudio de materiales a nanoescala a través de métodos de alto rendimiento a menudo requiere que los materiales se ubiquen con precisión y se diseñen a esta escala”, agrega Jastrzebska-Perfect. «Al proporcionar este control localizado, nuestra técnica puede mejorar la forma en que los investigadores investigan y ajustan las propiedades de los materiales para diversas aplicaciones».
“El equipo desarrolló un método muy inteligente para la síntesis determinista de nanocristales de perovskita individuales en sustratos. Pueden controlar la ubicación exacta de los nanocristales en una escala sin precedentes, lo que permite una plataforma para la fabricación de LED a nanoescala altamente eficientes basados en nanocristales individuales”, dice Ali Javey, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en la Universidad de California en Berkeley, que no participó en esta investigación. “Es un trabajo emocionante ya que supera un desafío fundamental en el campo”.
Referencia: “Cultivo in situ de matrices de nanocristales de perovskita para nanodispositivos integrados” por Patricia Jastrzebska-Perfect, Weikun Zhu, Mayuran Saravanapavanantham, Zheng Li, Sarah O. Spector, Roberto Brenes, Peter F. Satterthwaite, Rajeev J. Ram y Farnaz Niroui, 6 de julio de 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-39488-0
Este trabajo fue apoyado, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias y el Centro de Ingeniería Cuántica del MIT.
