Los cristales utilizados en aplicaciones tan variadas como láseres, LED y semiconductores utilizados en sensores que se encuentran en instrumentos astronómicos algún día podrían “dibujarse” en lugar de “crecerse”, lo que conduciría a un mayor rendimiento y menores costos.
Un equipo dirigido por Elad Harel de la Universidad Estatal de Michigan ha utilizado un láser para calentar una nanopartícula de oro, que luego desencadena la formación de cristales dentro de una solución de perovskita de haluro de plomo. Al mover la nanopartícula de oro, también utilizando láseres, es posible, en teoría, “dibujar” con precisión los cristales exactamente donde deben estar en un dispositivo electrónico.
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“En un dispositivo, es posible que se necesite una cantidad muy pequeña de material cristalino colocado en lugares muy específicos”, dijo Harel a Space.com.
La nueva técnica de Harel, que utiliza un fenómeno conocido como “calentamiento plasmónico”, puede recuperar cierto control sobre la formación de cristales. En experimentos de laboratorio, el equipo de Harel disparó un láser de 660 nanómetros de longitud de onda a una nanopartícula de oro en una cámara de reacción llena con la solución precursora de perovskita de haluro de plomo sobre un sustrato de vidrio de borosilicato, sobre el cual se “dibujaría” el cristal.
La nanopartícula de oro es diminuta, menos de una milésima parte del ancho de un cabello humano. Por lo tanto, todo el procedimiento tiene que ser extremadamente preciso y puede observarse en tiempo real utilizando microscopios de alta velocidad con velocidades de fotogramas en escalas de tiempo inferiores a milisegundos.
“La razón por la que utilizamos nanopartículas de oro es porque actúan como pequeños calentadores”, dijo Harel. “Cuando un láser irradia la partícula a la frecuencia adecuada, hace que los electrones del oro oscilen, lo que genera calor”.
Se trata de calentamiento plasmónico e impulsa la cristalización de la solución precursora en los lugares exactos que el equipo de Harel desea.
Los cristales de perovskita de haluro de plomo exhiben un alto rendimiento en células solares y LED, pero no son el único tipo de cristal utilizado en electrónica. Por ejemplo, los semiconductores del instrumento de infrarrojo medio (MIRI) del telescopio espacial James Webb incorporan cristales de silicio dopados con arsénico. Harel espera que esta técnica de calentamiento plasmónico pueda aplicarse a otros cristales similares, pero funciona específicamente para las perovskitas de haluro de plomo porque tienen algunas propiedades bastante inusuales.
“Lo que tienen de especial estas perovskitas es que a medida que aumenta la temperatura, la solubilidad disminuye, lo que induce la cristalización”, dijo. “La mayoría de los materiales no exhiben esta propiedad de solubilidad retrógrada; normalmente, a medida que aumenta la temperatura, aumenta la solubilidad”.
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Sin embargo, puede haber una forma de evitar esto que radica en los electrones excitados y oscilantes. Según Harel, además de producir calor, en principio los electrones también podrían participar directamente en la química de la formación de cristales, favoreciendo la formación de cristales.
“Necesitamos trabajar más para generalizar este concepto a otros materiales, pero creemos que funcionará”, dijo.
Las ventajas de una formación de cristales más barata, más rápida y más precisa son evidentes. Los cristales se utilizan en todas partes, desde pantallas táctiles, detectores de humo, paneles solares, dispositivos de imágenes médicas y la mayoría de los dispositivos optoelectrónicos y fotodetectores en general.
“Se trata de un método muy sencillo que utiliza láseres de bajo coste”, afirma Harel. “También ahorra enormemente en costes de fabricación, ya que el cristal se puede colocar exactamente donde y cuando se necesita”.
Dada la importancia de los cristales para la detección astronómica, la técnica de dibujarlos podría incluso permitir el lanzamiento de instrumentos de menor costo en misiones espaciales en el futuro.
El siguiente paso es utilizar múltiples láseres en una variedad de longitudes de onda para intentar “dibujar” patrones de cristales más complejos y luego comenzar a probarlos en dispositivos reales para ver si realmente ofrecen un mejor estándar de rendimiento por menos costo. “Esto es algo en lo que estamos trabajando ahora mismo”, dijo Harel.
Esta nueva técnica de ‘dibujar’ cristales se publica en la revista ACS Nano.