LED e Laser – Una Nuova Comprensione dei Perovskiti Potrebbe Rivoluzionare le Metriche di Prestazione

Gli scienziati stanno approfondendo i perovskiti per comprendere meglio questo materiale, che ha vaste applicazioni che coprono elettronica, stoccaggio di energia, laser, optoelettronica, sensori di glucosio e molto altro. Ma cos’è esattamente?

Il perovskite è un minerale naturale composto da calcio, titanio e ossigeno con la struttura cristallina di CaTiO₃ o con la formula ABX3. È stato scoperto per la prima volta nel 1839 in Russia. Una classe di materiali con la stessa struttura cristallina del minerale perovskite è anche nota come materiali perovskiti.

Fonte: Fabre Minerals

Le eccezionali proprietà fisiche, come il comportamento ferroelettrico, dielettrico, piezoelettrico e piroelettrico, e le proprietà chimiche, inclusa l’attività catalitica e la capacità di trasporto dell’ossigeno del perovskite, lo rendono una delle classi strutturali più importanti nella scienza dei materiali. Questo lo rende un candidato potenziale per applicazioni in celle a combustibile, dispositivi di memoria e fotovoltaico.

Possono anche essere utilizzati nelle celle solari per convertire la luce solare in elettricità, nonché per l’acquisizione di energia pulita e la degradazione di inquinanti organici.

Considerando tutti i diversi settori in cui il perovskite può potenzialmente contribuire, ha senso che gli scienziati cerchino di comprenderlo meglio.

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Comprendere il Perovskite a Livello Atomico per un Controllo Migliore

Ricercatori della North Carolina State University, con il supporto della National Science Foundation, hanno scoperto un modo per creare perovskiti ibridi stratificati (LHP) studiandoli a livello molecolare.

Questa scoperta consente un controllo senza precedenti sulle proprietà di emissione luminosa dei LHP e può portare a notevoli progressi nelle tecnologie laser e LED. Offre anche prospettive per l’ingegneria di altri materiali da utilizzare in dispositivi fotovoltaici.

I perovskiti ibridi stratificati (LHP), secondo la ricerca, sono emersi come semiconduttori promettenti per le applicazioni energetiche e fotoniche di nuova generazione. Qui, controllare la distribuzione, le dimensioni e l’orientamento dei pozzetti quantistici (QW) è estremamente importante.

I LHP sono costituiti da fogli molto sottili di materiale semiconduttore perovskite. Questi fogli sono separati tra loro da sottili strati organici “spacer”.

Poiché questi sottili film di più fogli di perovskite e strati “spacer” possono convertire efficientemente la carica elettrica in luce, i LHP hanno suscitato notevole interesse nella comunità di ricerca per anni. Tuttavia, la comprensione di come ingegnerizzarli per controllare le loro caratteristiche di prestazione è ancora limitata.

Per comprenderli, dobbiamo partire dai pozzetti quantistici, che sono fogli di materiale semiconduttore inseriti tra strati “spacer”.

Essi sono gli strati che si formano nei LHP. E un pozzetto quantistico spesso due atomi ha energia più alta rispetto a quello spesso cinque atomi.

Poiché l’energia fluisce da strutture ad alta energia a strutture a bassa energia a livello molecolare, dobbiamo avere pozzetti quantistici spessi tre e quattro atomi tra i pozzetti spessi due e cinque atomi, consentendo all’energia di fluire efficientemente.

“In pratica vuoi avere una pendenza graduale lungo la quale l’energia possa cascatare verso il basso.”

– Kenan Gundogdu, co-autore del documento e professore di fisica alla NC State

Tuttavia, le persone continuavano a imbattersi in un’anomalia nello studio dei LHP. L’anomalia è la distribuzione di dimensioni dei pozzetti quantistici in un campione LHP osservata tramite diffrazione a raggi X, che è diversa da quella rilevata mediante spettroscopia ottica.

Aram Amassian, autore corrispondente del documento e professore di scienza e ingegneria dei materiali alla North Carolina State University, ha illustrato come la diffrazione possa indicare che i pozzetti quantistici hanno uno spessore di due atomi e fanno parte di un cristallo bulk 3D. Nel frattempo, la spettroscopia può rivelare che i pozzetti quantistici sono spessi due, tre e quattro atomi, oltre alla presenza della fase bulk tridimensionale.

Quindi, il team ha cercato risposte: Perché esiste questa discrepanza tra i due metodi e come si può controllare la dimensione e la distribuzione dei pozzetti quantistici nei LHP?

Attraverso esperimenti, il team ha scoperto che i nanoplatelet (NPL) sono i protagonisti chiave. I NPL sono fogli individuali di materiale perovskite che si formano spontaneamente sulla superficie della soluzione utilizzata dai ricercatori per creare i LHP.

“Abbiamo scoperto che questi nanoplatelet fungono essenzialmente da stampi per i materiali stratificati che si formano al di sotto di essi,” ha detto Amassian, osservando che lo spessore atomico dei nanoplatelet determina lo spessore del LHP sottostante.

Tuttavia, i nanoplatelet non sono stabili, e il loro spessore continua a crescere, aggiungendo nuovi strati di atomi nel tempo.

“Alla fine, il nanoplatelet cresce così tanto da diventare un cristallo tridimensionale.”

– Amassian

Quindi, l’anomalia era dovuta al fatto che la diffrazione rileva l’impilamento dei fogli ma non i nanoplatelet, mentre la spettroscopia ottica rileva i fogli isolati. Ha aggiunto:

“Ciò che è entusiasmante è che abbiamo scoperto di poter sostanzialmente fermare la crescita dei nanoplatelet in modo controllato, regolando essenzialmente la dimensione e la distribuzione dei pozzetti quantistici nei film LHP.”

Facendo ciò, i ricercatori possono ottenere eccellenti cascate energetiche, essenziali per alta riproducibilità, soglia bassa e fotostabilità ambientale.

Ciò si traduce in un materiale veloce e altamente efficiente nel convogliare cariche ed energia per applicazioni laser e LED.

Con i nanoplatelet che svolgono un ruolo critico nella formazione degli strati di perovskite nei LHP, i ricercatori hanno verificato se i NPL possono essere usati per ingegnerizzare la struttura e le proprietà di altri materiali perovskiti, inclusi quelli usati nelle celle solari e altre tecnologie fotovoltaiche.

“Abbiamo scoperto che i nanoplatelet svolgono un ruolo simile in altri materiali perovskiti e possono essere usati per ingegnerizzare tali materiali al fine di migliorare la struttura desiderata, migliorando le loro prestazioni fotovoltaiche e la stabilità.”

– Milad Abolhasani, co-autore e professore ALCOA di Ingegneria Chimica e Biomolecolare alla NC State

Quindi, il team ha sfruttato i NPL per controllare l’orientamento delle facce dei perovskiti 3D e migliorare la stabilità e l’efficienza delle celle solari a banda larga.

Utilizzare Simulazioni al Computer per Approfondire i Perovskiti

I celle solari, o celle fotovoltaiche (PV), stanno guadagnando molta popolarità grazie ai loro benefici ambientali. L’energia solare, dopotutto, è pulita, rinnovabile e non produce emissioni di gas serra. La luce solare è anche disponibile in quantità illimitate, rendendo facile sfruttarla con le celle solari.

Inoltre, i loro costi sono diminuiti significativamente, fino al 70% dal 2010, rendendoli più accessibili. I progressi tecnologici hanno ulteriormente migliorato le loro prestazioni e la durata.

Con ciò, il mercato globale delle celle solari dovrebbe raggiungere $730,74 miliardi nel prossimo decennio.

Una cella solare è fondamentalmente un dispositivo che converte direttamente la luce solare in elettricità. Per questo utilizza materiali come il silicio, ma gli scienziati stanno cercando materiali più efficienti e stabili, e i perovskiti sono visti come una promettente alternativa.

Gli scienziati lavorano sulla tecnologia solare a perovskite da tempo, e i progressi hanno portato a record di efficienza. Nelle celle solari, i perovskiti lavorano insieme al silicio per sfruttare una più ampia parte dello spettro solare e, di conseguenza, generare più elettricità per cella.

Ora, utilizzando simulazioni al computer e apprendimento automatico, i ricercatori della Chalmers University of Technology in Svezia sono riusciti a ottenere nuove intuizioni su come i materiali perovskiti funzionano per progettare dispositivi optoelettronici efficienti e stabili.

L’apprendimento automatico sta guadagnando molta trazione nella comunità scientifica poiché i ricercatori lo usano per studiare sistemi più grandi rispetto a quanto era possibile con i metodi standard e per periodi più lunghi.

Quindi, il team di ricerca ha studiato una serie di materiali perovskiti 2D, che sono più stabili rispetto a quelli 3D.

Hanno mappato il materiale in simulazioni al computer e poi lo hanno sottoposto a diversi scenari per ottenere un’idea dettagliata di ciò che ha portato ai risultati in un esperimento. Il team è riuscito a ottenere una panoramica molto più ampia e dettagliata rispetto a prima, il che è particolarmente importante qui perché, negli strati molto sottili di questo materiale, ogni strato si comporta diversamente, il che è estremamente difficile da rilevare sperimentalmente.

Il professor Paul Erhart, membro del team di ricerca, li ha aiutati a ottenere una “comprensione molto più profonda di come funzionano i perovskiti 2D”.

Nei materiali perovskiti 2D, ci sono strati inorganici impilati l’uno sull’altro e separati da molecole organiche.

“Ciò che abbiamo scoperto è che si può controllare direttamente come gli atomi negli strati superficiali si muovono scegliendo i leganti organici e come ciò influisce sui movimenti atomici all’interno degli strati di perovskite. Poiché quel movimento è così cruciale per le proprietà ottiche, è come un effetto domino.”

– Paul Erhart

La notevole intuizione, secondo la co-autrice, offre l’opportunità di capire da dove proviene la stabilità dei materiali perovskiti 2D.

“(Questo può aiutare a prevedere) quali leganti e dimensioni possono rendere il materiale sia più stabile che più efficiente allo stesso tempo.”

– Co-autrice Julia Wiktor

Nel prossimo passo, il team “passerà a sistemi ancora più complessi e, in particolare, a interfacce fondamentali per il funzionamento dei dispositivi,” ha aggiunto Wiktor.

Progressi nelle Tecnologie Laser e LED

Ci sono stati molti sviluppi nei perovskiti grazie al loro enorme potenziale in diversi settori high-tech, inclusa la generazione di energia pulita tramite celle solari, dispositivi optoelettronici come fotodetectori e sensori, e dispositivi di memoria.

Ancora più importante, i progressi nella comprensione dei materiali perovskiti e la ricerca sui LHP possono essere un punto di svolta per i dispositivi laser di nuova generazione, dove precisione ed efficienza sono fondamentali, e per la tecnologia LED, che ha implicazioni per schermi, illuminazione e tecnologie di visualizzazione avanzate.

Affinando questi materiali, possiamo ottenere laser più efficienti con maggiore fotostabilità e LED ad alta luminosità con consumo energetico ridotto.

Nel mondo della tecnologia in rapida evoluzione, laser e LED sono diventati componenti fondamentali in una vasta gamma di settori: comunicazioni, dispositivi medici, produzione e illuminazione a basso consumo energetico.

In parole semplici, queste tecnologie hanno trasformato il nostro modo di interagire con il mondo moderno. Le ultime scoperte nell’uso dei perovskiti e delle strutture a pozzetto quantistico sono solo una delle molte aree che gli scienziati stanno esplorando per avanzare la tecnologia laser e LED.

Ecco alcuni recenti progressi nelle tecnologie laser e LED:

I diodi laser promettono costi ridotti, maggiore output luminoso, migliore distanza del fascio e maggiore efficienza. Grazie a questi vantaggi, stanno diventando un componente cruciale per l’archiviazione ottica dei dati. La miniaturizzazione dei diodi laser ha anche portato a progressi nei sistemi LiDAR per veicoli autonomi.

I laser ultraveloci, nel frattempo, emettono impulsi nell’intervallo dei femtosecondi, ovvero un quadrilionesimo di secondo. Questo consente una lavorazione precisa dei materiali senza causare danni termici e, pertanto, è sempre più usato in interventi chirurgici medici e ricerche scientifiche, in particolare per studiare fenomeni a livello molecolare e atomico.

Incorporando apprendimento automatico, IA e sensori, vengono creati laser più avanzati che operano autonomamente, aumentano l’efficienza e sono più precisi.

La stampa 3D abilitata dai laser, in cui una sorgente laser è usata per fondere selettivamente i materiali e creare oggetti complessi, è un’altra tendenza leader nel campo della tecnologia laser. Nella manifattura additiva, i laser a fibra, in particolare, stanno guadagnando popolarità grazie all’alta potenza, efficienza e capacità di fornire un fascio su lunghe distanze con perdita minima.

I laser sono anche sempre più usati per l’incisione. A questo scopo, vengono usati tutti i tipi di laser, da fibra, CO2 e cristallo a diodi laser e laser a stato solido pompati a diodi. In un caso, ricercatori della Flinders University hanno modificato superfici con laser a bassa potenza — che solitamente richiedono laser costosi e ad alta potenza per l’archiviazione dei dati.

In un altro studio, abbiamo riportato che i ricercatori hanno esposto un materiale non magnetico a radiazione laser ad alta frequenza per produrre un effetto magnetico a temperatura ambiente, il che ha il potenziale di aprire la strada a computer più efficienti dal punto di vista energetico e più veloci, rivoluzionando l’elettronica.

I nuovi dispositivi laser sono diventati così avanzati da poter analizzare la pelle di una persona in tempo reale. Permettono inoltre di mirare con precisione a specifiche aree. Il laser al tungsenio (YAG), uno dei laser più noti nel campo dell’urologia, è stato recentemente migliorato con tecnologia di modulazione dell’impulso. Questa nuova tecnologia consente sia modalità impulsate che continue.

L’evoluzione dei laser ha anche prodotto microlaser, altamente personalizzabili e che offrono forte confinamento ottico e interazioni luce-materia potenziate.

Nel settore LED, la durata di vita è aumentata notevolmente, contribuendo al risparmio energetico.

L’applicazione della tecnologia LED sta guadagnando particolare slancio nell’illuminazione automobilistica, dove la migliore visibilità, efficienza energetica e durata migliorano la sicurezza. Nel frattempo, nell’illuminazione stradale, i LED offrono illuminazione più luminosa e notevoli risparmi energetici.

Qui, la nanotecnologia sta dimostrando il potenziale di influenzare significativamente l’efficienza dei LED. I punti quantistici (QD) sono cristalli estremamente piccoli che contengono proprietà uniche che possono essere sintonizzate per emettere luce lungo l’intero spettro visibile, fornendo più opzioni di colore. I QD-LED offrono maggiore precisione cromatica e luminosità e, di conseguenza, stanno diventando prevalenti in TV e monitor.

Versioni più piccole dei LED tradizionali, mini e micro-LED, consentono al contempo una risoluzione più alta, migliore contrasto ed efficienza energetica nei display. Sono integrati in TV di prossima generazione, dispositivi AR/VR e telefoni cellulari per offrire luminosità molto superiore e tempi di risposta migliori rispetto agli OLED.

Integrando sensori e funzionalità di connettività nei LED, i ricercatori stanno anche creando sistemi di “illuminazione intelligente” che regolano luminosità, colore e tempistiche in base alle preferenze dell’utente o alle condizioni ambientali.

Aziende che Guidano l’Avanzamento

First Solar (FSLR ) è un leader nella tecnologia solare il cui focus è sulle soluzioni fotovoltaiche (PV) a film sottile. Con le sue azioni che scambiano a $207.75, in rialzo del 19.35% YTD, la sua capitalizzazione di mercato è di $22 bln. Per il 2Q24, l’azienda ha registrato $1.01 bln di vendite mentre l’utile netto è più che raddoppiato a $349.4 mln. All’epoca, il CEO Mark Widmar ha dichiarato che le aziende solari stavano affrontando restrizioni nell’accesso al capitale poiché gli investitori attendevano che le politiche diventassero più chiare per prendere decisioni di finanziamento.

Nel frattempo, Lumentum Holdings (LITE ) è coinvolta nella progettazione e produzione di laser per comunicazioni, applicazioni commerciali e industriali. Questa azienda con capitalizzazione di mercato di $4.7 bln ha le azioni in rialzo del 31.21% YTD con un prezzo di $69.43.

Poi c’è Acuity Brands, Inc. (AYI ), che è un leader nei sistemi di illuminazione LED. Questa azienda con capitalizzazione di mercato di $9.38 bln ha visto le sue azioni salire del 48.9% e attualmente scambia a $305.

Coherent, Inc.

Un attore chiave nel campo della tecnologia laser, Coherent fornisce laser per una vasta gamma di applicazioni, inclusi la lavorazione dei materiali, l’elettronica e la biomedicina. Le sue azioni sono aumentate di oltre il 132% quest’anno; finora hanno scambiato a $105.10, il che porta la sua capitalizzazione di mercato a $15.6 bln. Il suo EPS (TTM) è -1.85, e il suo P/E (TTM) è -54.79.

Per il suo quarto trimestre fiscale, l’azienda ha riportato $1.314 bln di ricavi e $4.708 bln per l’intero anno conclusosi il 30 giugno 2024, con margini lordi GAAP del 32.9% e 30.9%, rispettivamente. La crescita, secondo Rich Martucci, CFO ad interim, è stata “principalmente guidata dalla continua forza legata all’IA nel nostro business dei transceiver Datacom”.

Recentemente, l’azienda ha introdotto una nuova serie di laser a onda continua (CW) a feedback distribuito (DFB) ad alta efficienza, progettati per offrire un 15% di maggiore efficienza energetica rispetto agli standard di settore. Questi laser rispondono alla domanda di larghezza di banda crescente richiesta dai data center focalizzati sull’IA. All’inizio di quest’anno, Coherent ha anche lanciato un laser industriale HyperRapid NXT a picosecondi che consente una fabbricazione ultra-precisa di celle solari a film sottile.

Conclusione

I materiali perovskiti sono estremamente preziosi grazie alla loro efficienza, convenienza, flessibilità, sottigliezza, mobilità e capacità di assorbire la luce. Come tali, ottenere una comprensione migliore e più approfondita di questi materiali, che sta avanzando a ritmo rapido, può aiutarci a sbloccare nuove possibilità per le tecnologie laser e LED di nuova generazione.

Controllando la struttura e il comportamento dei pozzetti quantistici, i ricercatori stanno aprendo la strada a un trasferimento energetico più efficiente, maggiore stabilità e proprietà di emissione luminosa migliorate. Queste scoperte possono posizionare i perovskiti come fattori di cambiamento in una varietà di industrie, e man mano che la ricerca continua, hanno il potenziale di rivoluzionare l’energia pulita, le tecnologie di visualizzazione e le applicazioni laser, rendendoli al centro della scienza dei materiali.

Clicca qui per un elenco delle prime dieci azioni solari.