Una forma sencilla de ensamblar semiconductores complejos

El apilamiento de películas extremadamente delgadas de material una encima de la otra puede crear nuevos materiales con propiedades nuevas e interesantes. Pero los procesos más exitosos para construir esas pilas pueden ser tediosos e imperfectos, y no adecuados para la producción a gran escala.

Ahora, un equipo dirigido por la profesora de Stanford, Hemamala Karunadasa, ha creado una forma mucho más sencilla y rápida de hacerlo. Hicieron crecer capas 2D de uno de los materiales más buscados, conocido como perovskitas, intercaladas con capas delgadas de otros materiales en grandes cristales que se ensamblan solos.

El ensamblaje se lleva a cabo en viales donde los ingredientes químicos de las capas caen en el agua, junto con moléculas en forma de barra que dirigen la acción. Cada extremo de una barra lleva una plantilla para hacer crecer un tipo de capa. A medida que las capas se cristalizan, un proceso similar al de hacer un caramelo, las pesas las unen automáticamente en el orden correcto.

Los investigadores dicen que su método sienta las bases para hacer una amplia gama de semiconductores complejos de una manera mucho más deliberada, incluidas combinaciones de materiales que no se sabía que se emparejaran en cristales antes.

“En lugar de manipular los materiales una capa a la vez”, dijo Karunadasa, “simplemente arrojamos los iones en una olla de agua y dejamos que los iones se ensamblen de la forma en que quieren ensamblarse. Podemos hacer gramos de esta materia y sabemos dónde están los átomos en los cristales. Este nivel de precisión me permite saber cómo se ven realmente las interfaces entre las capas, lo cual es importante para determinar la estructura electrónica del material:cómo se comportan sus electrones”.

Las perovskitas de haluro, materiales que tienen la misma estructura octaédrica que los minerales de perovskita naturales, se han ensamblado en agua desde la década de 1900. Tienen un gran potencial para absorber eficientemente la luz solar en las células solares y convertirla en electricidad, pero también son notoriamente inestables, especialmente en los ambientes cálidos y brillantemente iluminados en los que opera la energía fotovoltaica.

La superposición de perovskitas con otros materiales podría combinar sus propiedades de manera que mejoren su rendimiento en aplicaciones específicas. Pero una perspectiva aún más emocionante es que podrían surgir propiedades completamente nuevas e inesperadas en las interfaces donde se encuentran las capas; por ejemplo, los científicos descubrieron previamente que apilar películas delgadas de dos tipos diferentes de aislantes puede crear un conductor eléctrico.

Es difícil predecir qué combinaciones de materiales resultarán interesantes y útiles. Además, la fabricación de materiales en capas finas ha sido un proceso lento y laborioso. Las capas generalmente se fabrican pelando películas de uno o dos átomos de espesor, una a la vez, de un trozo más grande de material. Así es como el grafeno está hecho de grafito, una forma pura de carbono que se usa en las minas de los lápices. En otros casos, estos materiales de capas finas se fabrican en pequeños lotes a temperaturas muy altas.

“La forma en que se fabrican no ha sido escalable y, a veces, incluso difícil de reproducir de un lote a otro”, dijo Karunadasa. “Despegar capas que tienen solo uno o dos átomos de espesor es un trabajo especializado; no es algo que tú y yo podamos simplemente ir al laboratorio y hacer. Estas hojas son como una baraja de cartas muy flexible; cuando sacas uno, puede arrugarse o torcerse. Por lo tanto, es difícil saber la estructura exacta de la pila final. Hay muy pocos precedentes de materiales que se parezcan a los que creamos en este estudio”.

Se descubrió que estas capas atómicamente delgadas tenían la misma estructura que los bloques 3D de materiales similares cuyas propiedades ya se conocían y que dos capas diferentes tienen que distorsionarse ligeramente para compartir una interfaz.

La creación de las estructuras en capas es el mismo proceso exacto que la fabricación de caramelos de roca, en el que se deja caer una clavija de madera en una solución de azúcar saturada y los cristales de caramelo se siembran en la clavija”, dijo el investigador Michael Aubrey. "Pero en este caso, los materiales de partida son diferentes y no necesitas un taco:los cristales comenzarán a formarse en el agua o en la superficie del vial de vidrio".

El equipo fabricó seis de los materiales autoensamblados, intercalando perovskitas con haluros metálicos o sulfuros metálicos y los examinó con rayos X en Advanced Light