As perovskitas haletos são uma família de materiais que têm atraído a atenção por suas propriedades optoeletrônicas superiores e potenciais aplicações em dispositivos como células solares de alto desempenho, diodos emissores de luz e lasers.

Esses materiais foram amplamente implementados em aplicações de dispositivos de tamanho de mícron ou filme fino. A integração precisa desses materiais em nanoescala pode abrir aplicações ainda mais notáveis, como fontes de luz no chip, fotodetectores e memristores. No entanto, alcançar essa integração continua sendo um desafio porque esse material delicado pode ser danificado por técnicas convencionais de fabricação e padronização.

Para superar esse obstáculo, os pesquisadores do MIT criaram uma técnica que permite que haletos individuais nanocristais individuais de haleto de perovskita sejam cultivados no local, onde necessário, com controle preciso sobre a localização, em menos de 50 nanômetros. (Uma folha de papel tem 100.000 nanômetros de espessura.) O tamanho dos nanocristais também pode ser controlado com precisão por meio dessa técnica, o que é importante porque o tamanho afeta suas características. Uma vez que o material é cultivado localmente com as características desejadas, não são necessárias etapas convencionais de padronização litográfica que poderiam causar danos.

A técnica também é escalável, versátil e compatível com as etapas convencionais de fabricação, permitindo que os nanocristais sejam integrados a dispositivos funcionais em nanoescala. Os pesquisadores usaram isso para fabricar matrizes de diodos emissores de luz em nanoescala (nanoLEDs) – minúsculos cristais que emitem luz quando ativados eletricamente. Essas matrizes podem ter aplicações em comunicação óptica e computação, microscópios sem lentes, novos tipos de fontes de luz quântica e telas de alta densidade e alta resolução para realidade aumentada e virtual.

"Como mostra nosso trabalho, é fundamental desenvolver novas estruturas de engenharia para integração de nanomateriais em nanodispositivos funcionais. Ao ultrapassar os limites tradicionais da nanofabricação, engenharia de materiais e design de dispositivos, essas técnicas podem nos permitir manipular a matéria em nanoescala extrema dimensões, ajudando-nos a criar plataformas de dispositivos não convencionais importantes para atender às necessidades tecnológicas emergentes", diz Farnaz Niroui, professor assistente de desenvolvimento de carreira da EE Landsman em engenharia elétrica e ciência da computação (EECS), membro do Laboratório de pesquisa em eletrônica (RLE) e autor sênior de um novo artigo descrevendo o trabalho.

Os coautores de Niroui incluem a autora principal Patricia Jastrzebska-Perfect, uma estudante de pós-graduação da EECS; Weikun "Spencer" Zhu, aluno de pós-graduação do Departamento de Engenharia Química; Mayuran Saravanapavanantham, Sarah Spector, Roberto Brenes e Peter Satterthwaite, todos alunos de pós-graduação da EECS; Zheng Li, um pós-doutorando da RLE; e Rajeev Ram, professor de engenharia elétrica. A pesquisa será publicada na Nature Communications .

A integração de perovskitas de haletos em dispositivos em nanoescala no chip é extremamente difícil usando técnicas convencionais de fabricação em nanoescala. Em uma abordagem, um filme fino de perovskitas frágeis pode ser modelado usando processos litográficos, que requerem solventes que podem danificar o material. Em outra abordagem, cristais menores são formados primeiro em solução e, em seguida, retirados e colocados da solução no padrão desejado.

“Em ambos os casos há falta de controle, resolução e capacidade de integração, o que limita como o material pode ser estendido para nanodispositivos”, diz Niroui.

Em vez disso, ela e sua equipe desenvolveram uma abordagem para "crescer" cristais de haleto de perovskita em locais precisos diretamente na superfície desejada, onde o nanodispositivo será fabricado.

O núcleo do processo é localizar a solução que é usada no crescimento do nanocristal. Para isso, eles criam um modelo em nanoescala com pequenos poços que contêm o processo químico pelo qual os cristais crescem. Eles modificam a superfície do molde e o interior dos poços, controlando uma propriedade conhecida como "molhabilidade", de modo que uma solução contendo material de perovskita não se acumule na superfície do molde e fique confinada dentro dos poços.

"Agora, você tem esses reatores muito pequenos e determinísticos dentro dos quais o material pode crescer", diz ela.

E é exatamente isso que acontece. Eles aplicam uma solução contendo material de crescimento de haleto de perovskita ao molde e, à medida que o solvente evapora, o material cresce e forma um minúsculo cristal em cada poço.

Os pesquisadores descobriram que a forma dos poços desempenha um papel crítico no controle do posicionamento do nanocristal. Se forem usados ??poços quadrados, devido à influência de forças em nanoescala, os cristais têm chances iguais de serem colocados em cada um dos quatro cantos do poço. Para algumas aplicações isso pode ser bom o suficiente, mas para outras é necessário ter uma precisão maior na colocação do nanocristal.

Ao alterar a forma do poço, os pesquisadores conseguiram projetar essas forças em nanoescala de forma que um cristal seja preferencialmente colocado no local desejado.

À medida que o solvente evapora dentro do poço, o nanocristal experimenta um gradiente de pressão que cria uma força direcional, com a direção exata sendo determinada usando a forma assimétrica do poço.

“Isso nos permite ter uma precisão muito alta, não apenas no crescimento, mas também na colocação desses nanocristais”, diz Niroui.

Eles também descobriram que podiam controlar o tamanho do cristal que se forma dentro de um poço. Alterar o tamanho dos poços para permitir mais ou menos solução de crescimento dentro gera cristais maiores ou menores.

Eles demonstraram a eficácia de sua técnica fabricando matrizes precisas de nanoLEDs. Nesta abordagem, cada nanocristal é transformado em um nanopixel que emite luz. Essas matrizes de nanoLED de alta densidade podem ser usadas para comunicação e computação óptica no chip, fontes de luz quântica, microscopia e exibições de alta resolução para aplicativos de realidade aumentada e virtual.

No futuro, os pesquisadores querem explorar mais aplicações potenciais para essas minúsculas fontes de luz. Eles também querem testar os limites de quão pequenos esses dispositivos podem ser e trabalhar para incorporá-los efetivamente aos sistemas quânticos. Além das fontes de luz em nanoescala, o processo também abre outras oportunidades para o desenvolvimento de nanodispositivos on-chip baseados em haleto perovskita.

Sua técnica também fornece uma maneira mais fácil para os pesquisadores estudarem materiais no nível de nanocristais individuais, que eles esperam inspirar outros a realizar estudos adicionais sobre esses e outros materiais exclusivos.

"Estudar materiais em nanoescala por meio de métodos de alto rendimento geralmente requer que os materiais sejam localizados com precisão e projetados nessa escala", acrescenta Jastrzebska-Perfect. “Ao fornecer esse controle localizado, nossa técnica pode melhorar a forma como os pesquisadores investigam e ajustam as propriedades dos materiais para diversas aplicações”.