Transformación exitosa de perovskitas inorgánicas sin dañar sus propiedades funcionales

Las perovskitas de haluro de plomo totalmente inorgánico se están convirtiendo en materiales semiconductores cada vez más importantes en la conversión de energía y la optoelectrónica debido a su excelente rendimiento y su mayor estabilidad ambiental.

"Sin embargo, a diferencia de los materiales metálicos o los polímeros, los semiconductores inorgánicos suelen ser frágiles y difíciles de procesar. Esto restringe fuertemente sus aplicaciones como productos optoelectrónicos que deben resistir tensiones y esfuerzos mecánicos sin perder su funcionalidad", afirmó el profesor Chen Fu-Rong, vicepresidente asociado. Presidente (Mainland Collaboration) y profesor titular de Ciencia de Materiales en CityU, quien codirigió el estudio.

Para superar esta limitación, un equipo de investigación dirigido por el profesor Chen, junto con el profesor Johnny Ho Chung-yin, director asociado y profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE), el profesor Zhao Shijun, en el Departamento de Ingeniería Mecánica (MNE ) en CityU, y el profesor Lu Yang, ex profesor de MNE y actualmente trabajando en la Universidad de Hong Kong (HKU), exploraron la deformabilidad de perovskitas totalmente inorgánicas (CsPbX3, donde X puede ser iones Cl, Br o I). Descubrieron que las perovskitas pueden transformarse sustancialmente en geometrías distintas a temperatura ambiente preservando al mismo tiempo sus propiedades funcionales, un logro sin precedentes en los semiconductores inorgánicos convencionales.

En sus experimentos, el equipo sintetizó por primera vez micropilares monocristalinos de CsPbX3 con diámetros y anchos que oscilaban entre 0,4 y 2 μm y longitudes de 3 a 10 μm, utilizando el método vapor-líquido-sólido. Luego realizaron experimentos de compresión in situ con un microscopio electrónico de barrido.

Descubrieron que, bajo compresión, se producían deslizamientos continuos de dislocaciones parciales en múltiples sistemas de deslizamiento en la red cristalina de CsPbX3. Este mecanismo de deformación por deslizamiento múltiple tipo dominó permitió que los micropilares se deformaran en varias formas distintas sin fracturarse, incluida la forma de L invertida, la forma de Z y la forma de copa de vino.

Con la ayuda de un microscopio electrónico de transmisión (TEM) de resolución atómica, el equipo reveló que los átomos en la zona de deformación estaban bien conectados, lo que llevaba a propiedades funcionales intactas. "También observamos que el rendimiento optoelectrónico de los micropilares no se vio afectado por la deformación", dijo el profesor Ho. "Esto demuestra el potencial de estos materiales para su uso en optoelectrónica deformable".

El equipo de investigación realizó más análisis electrónicos y estructurales para descubrir el origen físico de este comportamiento inusual. "El secreto de la capacidad de transformación es la barrera de energía de bajo deslizamiento, que garantiza deslizamientos fáciles, y los fuertes enlaces Pb-X, que mantienen la integridad estructural del cristal y evitan que se agriete o se escinda", dijo el profesor Zhao Shijun, que se especializa en Propiedades de los materiales computacionales. Y la banda prohibida, un índice de energía que influye en las propiedades eléctricas totales de los semiconductores intrínsecos, de la red cristalina de CsPbX3 permaneció sin cambios después de la deformación, lo que indica que la estructura electrónica del material no se vio afectada, añadió.

"Nuestros resultados demostraron que los monocristales totalmente inorgánicos de CsPbX3 pueden deformarse sustancialmente y transformarse fácilmente en varias formas mediante deslizamiento múltiple en condiciones ambientales, sin cambiar su integridad cristalina, estructura reticular o propiedades optoelectrónicas", dijo el profesor Chen.

"Este logro representa un paso significativo hacia el diseño y la fabricación de dispositivos energéticos innovadores y electrónica deformable. El mecanismo subyacente, descubierto por un TEM a nivel atómico, proporciona implicaciones importantes para la búsqueda de otros semiconductores dúctiles intrínsecos", añadió.

Los hallazgos fueron publicados en Nature Materials bajo el título "Morfing de perovskitas totalmente inorgánicas habilitadas por Multislip".

Los primeros autores son el Dr. Li Xiaocui, el Dr. Meng You y el Dr. Li Wanpeng, postdoctorados en el Departamento de MSE. Los autores correspondientes son el profesor Chen, el profesor Ho, el profesor Zhao y el profesor Lu de HKU. Otros colaboradores son investigadores de CityU y la Universidad de Zhejiang.

La investigación cuenta con el apoyo del Consejo de Subvenciones de Investigación de Hong Kong (RGC), CityU y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China/RGC Hong Kong Joint Research Scheme.