Transformação bem-sucedida de perovskitas inorgânicas sem danificar suas propriedades funcionais

As perovskitas de haleto de chumbo totalmente inorgânicas estão se tornando materiais semicondutores cada vez mais importantes na conversão de energia e na optoeletrônica devido ao seu excelente desempenho e maior estabilidade ambiental.

"No entanto, ao contrário dos materiais metálicos ou polímeros, os semicondutores inorgânicos são muitas vezes frágeis e difíceis de processar. Isto restringe fortemente as suas aplicações como produtos optoelectrónicos que devem resistir ao esforço mecânico e à tensão sem perder a sua funcionalidade, "disse o professor Chen Fu-Rong, Vice-Associado. Presidente (Colaboração do Continente) e Professor Catedrático de Ciência de Materiais na CityU, que co-liderou o estudo.

Para superar esta limitação, uma equipa de investigação liderada pelo Professor Chen, juntamente com o Professor Johnny Ho Chung-yin, Chefe Associado e Professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (MSE), Professor Zhao Shijun, do Departamento de Engenharia Mecânica (MNE ) na CityU, e o professor Lu Yang, ex-professor do MNE e atualmente trabalhando na Universidade de Hong Kong (HKU), explorou a deformabilidade de perovskitas totalmente inorgânicas (CsPbX3, onde X pode ser íons Cl, Br ou I). Eles descobriram que as perovskitas podem ser substancialmente transformadas em geometrias distintas à temperatura ambiente, preservando suas propriedades funcionais, uma conquista sem precedentes em semicondutores inorgânicos convencionais.

Em seus experimentos, a equipe primeiro sintetizou micropilares monocristalinos de CsPbX3 com diâmetros e larguras variando de 0,4 a 2 μm e comprimentos de 3 a 10 μm, usando o método vapor-líquido-sólido. Eles então conduziram experimentos de compressão in situ com um microscópio eletrônico de varredura.

Eles descobriram que sob compressão, havia deslizamentos contínuos de discordâncias parciais em múltiplos sistemas de deslizamento na rede cristalina CsPbX3. Este mecanismo de deformação multi-deslizamento 'semelhante a um dominó' permitiu que os micropilares se deformassem em várias formas distintas sem fraturar, incluindo formato L invertido, formato Z e formato de taça de vinho.

Com a ajuda de um microscópio eletrônico de transmissão de resolução atômica (TEM), a equipe revelou que os átomos na zona de deformação estavam bem conectados, levando a propriedades funcionais intactas. “Também observamos que o desempenho optoeletrônico dos micropilares não foi afetado pela deformação”, disse o professor Ho. "Isso demonstra o potencial desses materiais para uso em optoeletrônica deformável."

A equipe de pesquisa realizou mais análises eletrônicas e estruturais para descobrir a origem física desse comportamento incomum. "O segredo da capacidade de transformação é a barreira de energia de baixo deslizamento, que garante deslizamentos fáceis, e as fortes ligações Pb-X, que mantêm a integridade estrutural do cristal e evitam rachaduras ou clivagens", disse o professor Zhao Shijun, especialista no propriedades de materiais computacionais. E o bandgap, um índice de energia que influencia as propriedades elétricas totais dos semicondutores intrínsecos, da rede cristalina CsPbX3 permaneceu inalterado após a deformação, indicando que a estrutura eletrônica do material não foi afetada, acrescentou.

"Nossos resultados demonstraram que os monocristais CsPbX3 totalmente inorgânicos podem ser substancialmente deformados e facilmente transformados em vários formatos por meio de deslizamento múltiplo sob condições ambientais, sem alterar sua integridade cristalina, estrutura de rede ou propriedades optoeletrônicas", disse o professor Chen.

"Esta conquista representa um passo significativo para projetar e fabricar dispositivos de energia inovadores e eletrônicos deformáveis. O mecanismo subjacente, descoberto por um TEM no nível atômico, fornece implicações importantes para a busca de outros semicondutores dúcteis intrínsecos", acrescentou.

As descobertas foram publicadas na Nature Materials sob o título "Multislip-enabled morphing of all-inorganic perovskites".

Os primeiros autores são Dr. Li Xiaocui, Dr. Meng You e Dr. Li Wanpeng, pós-doutorandos no Departamento de MSE. Os autores correspondentes são Professor Chen, Professor Ho, Professor Zhao e Professor Lu da HKU. Outros colaboradores são pesquisadores da CityU e da Universidade de Zhejiang.

A pesquisa é apoiada pelo Conselho de Bolsas de Pesquisa de Hong Kong (RGC), CityU e pelo Esquema Conjunto de Pesquisa da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China/RGC Hong Kong.