Técnica revolucionaria de autoensamblaje para semiconductores complejos

Apilar capas extremadamente finas de material unas sobre otras puede crear nuevos materiales con propiedades fascinantes. Sin embargo, los procesos más exitosos para construir estas pilas pueden ser tediosos, imperfectos y no aptos para producción a gran escala.

Ahora, un equipo liderado por la profesora de Stanford Hemamala Karunadasa ha creado una forma mucho más sencilla y rápida de hacerlo. Cultivaron capas 2D de uno de los materiales más codiciados, conocidos como perovskitas, intercaladas con capas finas de otros materiales en grandes cristales que se autoensamblan.

El ensamblaje ocurre en viales donde los ingredientes químicos para las capas se mueven en agua, junto con moléculas en forma de mancuerna que dirigen la acción. Cada extremo de la mancuerna lleva una plantilla para cultivar un tipo de capa. A medida que las capas cristalizan —un proceso similar a la fabricación de caramelo de roca—, las mancuernas las vinculan automáticamente en el orden correcto.

Los investigadores afirman que su método sienta las bases para fabricar una amplia gama de semiconductores complejos de manera más deliberada, incluyendo combinaciones de materiales que no se sabía que se emparejaban en cristales.

"En lugar de manipular materiales capa a capa", dice Karunadasa, "simplemente arrojamos los iones a una olla de agua y dejamos que se ensamblen como quieran. Podemos hacer gramos de este material y sabemos dónde están los átomos en los cristales. Este nivel de precisión me permite conocer la verdadera estructura de las interfaces entre capas, lo cual es crucial para determinar la estructura electrónica del material —cómo se comportan sus electrones—."

Las perovskitas de haluro —materiales con la misma estructura octaédrica que los minerales de perovskita naturales— se han ensamblado en agua desde 1900. Tienen gran potencial para absorber eficientemente la luz solar en celdas solares y convertirla en electricidad, pero son notoriamente inestables, especialmente en los entornos calurosos y brillantes donde operan los fotovoltaicos.

Intercalar perovskitas con otros materiales podría combinar sus propiedades para mejorar su rendimiento en aplicaciones específicas. Una perspectiva aún más emocionante es que propiedades totalmente nuevas e inesperadas podrían surgir en las interfaces donde se encuentran las capas; por ejemplo, los científicos han descubierto que apilar películas finas de dos tipos diferentes de aislantes puede crear un conductor eléctrico.

Es difícil predecir qué combinaciones de materiales resultarán interesantes y útiles. Además, fabricar materiales en capas finas ha sido un proceso lento y meticuloso. Las capas generalmente se fabrican pelando películas de solo uno o dos átomos de espesor, una a la vez, de un bloque mayor de material. Así se fabrica el grafeno a partir de grafito, una forma pura de carbono usada en minas de lápiz. En otros casos, estos materiales en 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 es difícil de reproducir de un lote a otro", dice Karunadasa. "Pelar capas de solo uno o dos átomos de espesor es un trabajo especializado; no es algo que tú y yo podamos hacer en el laboratorio. Estas láminas son como una baraja de cartas muy flexible; al sacar una, puede arrugarse o abombarse. Por eso es difícil conocer la estructura exacta de la pila final. Hay muy pocos precedentes de materiales como los que creamos en este estudio".

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

"Crear las estructuras en capas es exactamente el mismo proceso que hacer caramelo de roca, donde dejas caer una varilla de madera en una solución saturada de azúcar y los cristales se forman solos sobre la varilla", explica el investigador Michael Aubrey. "Pero en este caso los materiales iniciales son diferentes y no necesitas una varilla: los cristales comenzarán a formarse en el agua o en la superficie del vial de vidrio".

El equipo fabricó seis de estos materiales autoensamblados, intercalando perovskitas con haluros metálicos o sulfuros metálicos y los examinaron con rayos X en la Fuente de Luz Avanzada.