Sólo unos pocos átomos de grosor: Desarrollo de nuevos materiales funcionales
Utilizando el "juego de construcción" más pequeño del mundo, un equipo de investigación está diseñando nuevos materiales para chips informáticos, diodos emisores de luz y células solares
Son 50.000 veces más finos que un cabello humano y sólo tienen unos pocos átomos de grosor: los materiales bidimensionales son las sustancias más finas que se pueden fabricar hoy en día. Tienen propiedades completamente nuevas y se consideran el siguiente gran paso en la tecnología moderna de semiconductores. En el futuro podrían utilizarse en lugar del silicio en los chips de los ordenadores, los diodos emisores de luz y las células solares. Hasta ahora, el desarrollo de nuevos materiales bidimensionales se limitaba a estructuras con capas de enlaces químicos rígidos en dos direcciones espaciales, como una hoja de papel apilada. Ahora, por primera vez, un equipo de investigación de las universidades de Marburgo, Giessen y Paderborn, dirigido por la Dra. Johanna Heine (Química Inorgánica, Universidad Philipps de Marburgo) ha superado esta limitación mediante un concepto innovador. Los investigadores desarrollaron un cristal híbrido orgánico-inorgánico que consiste en cadenas en una sola dirección, pero que a pesar de ello forma capas bidimensionales. Esto permite combinar diferentes componentes materiales, como las piezas de un juego de construcción, para crear materiales a medida con propiedades innovadoras.
Representación artística de la estructura cristalina del innovador material. Las capas individuales del cristal pueden despegarse fácilmente.
Elisa Monte, JLU
En este proyecto, el equipo de investigación combinó las ventajas de los materiales bidimensionales y de las perovskitas híbridas: el mineral homónimo, la perovskita, es bien conocido por sus propiedades optoelectrónicas y puede combinarse con otros materiales para mejorar estas características. "Lo especial de esto es que ofrece opciones completamente nuevas para el diseño específico de futuros materiales funcionales", afirma la Dra. Johanna Heine, química y jefa de grupo de investigación de la Universidad de Marburgo, al describir esta área de investigación de gran actualidad y con gran potencial de aplicación. "Este efecto físico -descubierto por primera vez aquí- podría permitir ajustar el color de las futuras tecnologías de iluminación y visualización de forma sencilla y específica", afirma el físico Philip Klement, autor principal y estudiante de doctorado del grupo de investigación dirigido por el profesor Sangam Chatterjee en la Universidad Justus Liebig de Giessen (JLU).
El trabajo se llevó a cabo en una colaboración interdisciplinar: El equipo de la Dra. Johanna Heine, de la Universidad de Marburgo, desarrolló en primer lugar la síntesis química y creó el material como un solo cristal a granel. A continuación, el equipo de Philip Klement y el profesor Chatterjee de la JLU utilizaron estos cristales para producir capas individuales atómicamente finas y las investigaron mediante espectroscopia láser óptica. Descubrieron una emisión de luz espectral de banda ancha ("blanca"), cuya temperatura de color puede ajustarse cambiando el grosor de la capa. En estrecha colaboración con el profesor Stefan Schumacher y su equipo de físicos teóricos de la Universidad de Paderborn, los investigadores realizaron un estudio microscópico del efecto y pudieron mejorar las propiedades del material.
De este modo, los investigadores pudieron abarcar todo el proceso, desde la síntesis del material y la comprensión de sus propiedades, hasta la modelización de las mismas.
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Publicación original
Philip Klement, Natalie Dehnhardt, Chuan-Ding Dong, Florian Dobener, Samuel Bayliff, Julius Winkler, Detlev M. Hofmann, Peter J. Klar, Stefan Schumacher, Sangam Chatterjee, and Johanna Heine; "Atomically Thin Sheets of Lead-Free One-Dimensional Hybrid Perovskites Feature Tunable White-Light Emission from Self-Trapped Excitons"; Advanced Materials; 2021
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