I perovskiti alogenuri sono materiali cristallini che stanno rivoluzionando il mondo della tecnologia, grazie alle loro straordinarie proprietà ottiche ed elettroniche. Recentemente, un gruppo di ricercatori ha fatto luce su alcuni aspetti fondamentali di questi materiali, scoprendo che gli elettroni eccitati dalla luce aumentano la simmetria del cristallo. Questa scoperta potrebbe portare a significativi progressi in settori come la produzione di schermi TV ad alta qualità e celle solari più efficienti.
La magia dei perovskiti alogenuri
I perovskiti alogenuri sono una classe di minerali che condividono la stessa struttura cristallina del titanato di calcio (CaTiO3), il perovskite “originale”. Questi materiali hanno la capacità di assorbire la luce e di eccitare gli elettroni a energie più elevate, i quali si accoppiano fortemente con i fononi all’interno del materiale. I fononi sono vibrazioni collettive degli atomi in un cristallo, simili alle onde sonore.
Un team internazionale alla scoperta dei segreti dei perovskiti
Un team di ricerca internazionale, guidato da Nuri Yazdani e Vanessa Wood dell’ETH di Zurigo e Aaron Lindenberg di Stanford, insieme ai colleghi dell’Empa di Dübendorf, ha studiato il movimento degli atomi all’interno di nanocristalli di perovskiti con una risoluzione temporale di pochi miliardesimi di secondo. I risultati, pubblicati sulla rivista scientifica Nature Physics, hanno mostrato che gli elettroni eccitati possono raddrizzare la struttura cristallina distorta dei nanocristalli di perovskite.
Un’analisi approfondita dei nanocristalli
Per osservare l’interno di un perovskite (bromuro di piombo formamidinio) sintetizzato all’Empa da Maryna Bodnarchuk e dal professor Maksym Kovalenko dell’ETH, i ricercatori hanno utilizzato un fascio di diffrazione elettronica ultraveloce presso il Laboratorio Nazionale di Acceleratori di Stanford (SLAC). Questo fascio produce impulsi di elettroni della durata di soli cento femtosecondi, o milionesimi di milionesimo di secondo.
La tecnica di diffrazione elettronica ultraveloce
Gli elettroni colpiscono i nanocristalli di perovskite, di circa 10 nanometri di dimensione, e gli elettroni diffratti vengono raccolti su uno schermo. Poiché gli elettroni si comportano come onde, dopo essere stati diffratti dagli atomi all’interno del materiale, le onde elettroniche interferiscono costruttivamente o distruttivamente, a seconda della posizione degli atomi e della direzione di diffrazione, proprio come la luce che emerge da una doppia fenditura. Anche piccoli cambiamenti nella struttura cristallina possono essere misurati in questo modo.
La sorprendente scoperta dell’aumento di simmetria
I risultati hanno sorpreso i ricercatori. Si aspettavano di vedere una deformazione della struttura cristallina che avrebbe dovuto portare a una riduzione della sua simmetria. Invece, hanno osservato un cambiamento verso un’aumentata simmetria: gli elettroni eccitati avevano leggermente raddrizzato la struttura cristallina distorta del perovskite.
Le implicazioni per le tecnologie future
Comprendere l’origine dell’accoppiamento elettrone-fonone renderà più semplice produrre perovskiti con proprietà ottiche specifiche per determinate applicazioni. Ad esempio, i nanocristalli di perovskite per i display TV di nuova generazione possono essere rivestiti con un guscio di un altro materiale per ridurre l’accoppiamento elettrone-fonone e quindi ridurre la larghezza spettrale della luce emessa. Questo è stato già dimostrato nel 2022 da alcuni dei coautori dell’articolo su Nature Physics.
Inoltre, poiché l’interazione attrattiva tra gli eccitoni è simile al meccanismo che consente la corrente elettrica di fluire senza perdite nei superconduttori, tale attrazione potrebbe essere sfruttata per migliorare il trasporto degli elettroni. Questo potrebbe, a sua volta, essere utile per la realizzazione di celle solari basate su perovskiti.
La scoperta di questi ricercatori apre nuove strade per l’ottimizzazione delle proprietà ottiche dei perovskiti e per lo sviluppo di tecnologie avanzate, che potrebbero beneficiare di materiali più efficienti e performanti.
