Os cristais utilizados em aplicações tão variadas como os lasers, os LEDs e os semicondutores utilizados em sensores encontrados em instrumentos astronómicos poderão algum dia ser “desenhados” em vez de “cultivados”, levando a um maior desempenho e a custos mais baixos.
Uma equipe liderada por Elad Harel, da Michigan State University, usou um laser para aquecer uma nanopartícula de ouro, que então desencadeia a formação de cristais dentro de uma solução de perovskita de haleto de chumbo. Ao mover a nanopartícula de ouro, novamente usando lasers, é possível, em teoria, “desenhar” com precisão os cristais exatamente onde eles precisam estar em um dispositivo eletrônico.
“Em um dispositivo, pode ser necessária uma quantidade muito pequena de material cristalino colocado em locais muito específicos”, disse Harel ao Space.com.
A nova técnica de Harel, utilizando um fenômeno conhecido como “aquecimento plasmônico”, é capaz de recuperar algum controle sobre a formação de cristais. Em experimentos de laboratório, a equipe de Harel disparou um laser de 660 nanômetros comprimento de onda em uma nanopartícula de ouro em uma câmara de reação preenchida com a solução precursora de haleto de perovskita de chumbo sobre um substrato de vidro de borossilicato, sobre o qual o cristal seria ‘atraído’.
A nanopartícula de ouro é minúscula, com menos de um milésimo da largura de um fio de cabelo humano. Portanto, todo o procedimento deve ser extremamente preciso e pode ser observado em tempo real usando microscópios de alta velocidade com taxas de quadros em escalas de tempo inferiores a milissegundos.
“A razão pela qual usamos nanopartículas de ouro é porque elas atuam como pequenos aquecedores”, disse Harel. “Quando um laser irradia a partícula na frequência certa, causa a elétrons no ouro oscile, o que gera calor.”
Este é o aquecimento plasmônico e impulsiona a cristalização da solução precursora nos locais exatos que a equipe de Harel deseja.
Os cristais de perovskita de haleto de chumbo apresentam alto desempenho em células solares e LEDs, mas não são o único tipo de cristal usado em eletrônica. Por exemplo, os semicondutores do Instrumento de Infravermelho Médio (MIRI) no Telescópio Espacial James Webb incorporam cristais de silício dopados com arsênico. Harel espera que esta técnica de aquecimento plasmônico possa ser aplicada a outros cristais, mas funciona especificamente para perovskitas de haleto de chumbo porque elas têm algumas propriedades bastante incomuns.
“O que há de especial nessas perovskitas é que à medida que a temperatura aumenta, a solubilidade diminui, o que induz a cristalização”, disse ele. “A maioria dos materiais não exibe esta propriedade de solubilidade retrógrada; normalmente, à medida que a temperatura aumenta, a solubilidade aumenta.”
No entanto, pode haver uma maneira de contornar isso que reside nos elétrons agitados e excitados. Além de produzirem calor, os elétrons poderiam, em princípio, também participar diretamente na química da formação de cristais, segundo Harel, incentivando a formação de cristais.
“Precisamos trabalhar mais para generalizar esse conceito para outros materiais, mas acreditamos que funcionará”, disse ele.
As vantagens de uma formação de cristais mais barata, rápida e precisa são claras. Os cristais são usados em todos os lugares, desde telas sensíveis ao toque, alarmes de fumaça, painéis solares, dispositivos de imagens médicas e a maioria dos optoeletrônicos e fotodetectores em geral.
“Este é um método muito simples que utiliza lasers de baixo custo”, disse Harel. “Também economiza enormemente no custo de fabricação, já que o cristal pode ser colocado exatamente onde e quando for necessário.”
Dada a importância dos cristais para a detecção astronômica, a técnica de desenhá-los poderá até levar ao lançamento de instrumentos de baixo custo em missões espaciais no futuro.
O próximo passo é usar vários lasers em uma variedade de comprimentos de onda para tentar “desenhar” padrões de cristais mais complexos e, em seguida, começar a testá-los em dispositivos reais para ver se eles realmente oferecem um melhor padrão de desempenho por um custo menor. “Isso é algo em que estamos trabalhando agora”, disse Harel.
Esta nova técnica de ‘desenhar’ cristais é publicada na revista ACS Nano.
