NUS-forskare har upptäckt att ljusemissionsegenskaperna hos molekylärt tunn tvådimensionell (2-D) hybridperovskit kan ställas in på ett mycket reversibelt sätt för ultratunna optoelektroniska applikationer. En mycket effektiv fotodetektor har tillverkats med hybridperovskiter med tjockleken av en enda kvantbrunn.

Skiktade perovskiter är lösningsbearbetbara, lågkostnadsmaterial som kan användas som fotodetektorer eller ljussändare. Perovskitkristallens överlägsna förmåga att detektera och avge ljus med hög effektivitet förväntas hitta praktiska tillämpningar inom olika områden. Varje grundenhet i en 2-D hybrid perovskit är konstruerad med ett halvledande skikt av oorganiskt material inklämt mellan två organiska isolerande lager. Medan forskare har studerat lager perovskiter i bulkform under de senaste trettio åren, egenskaperna hos dessa kristaller när deras tjocklek tunnas ner till några få och enstaka lager har i stort sett inte undersökts.

En forskargrupp ledd av professor Loh Kian Ping, från Institutionen för kemi, NUS har upptäckt att ett molekylärt tunt lager av perovskit kan spännas på ett mycket reversibelt sätt utan att det inför permanenta defekter på materialet som kan påverka dess ljusemissionsegenskaper. Också, emissionsegenskaperna för perovskiten kan ställas in reversibelt under upprepade spänningar. Forskarna uppnådde detta genom att kapsla in ytan av perovskiten med ett tunt lager av optiskt transparent hexagonal bornitrid. Detta barriärskikt fångar de organiska molekylerna på ytan av perovskitskiktet, förhindrar dem från att fly ut i luften även under stark laserbestrålning.

Med hjälp av en temperaturkontrollerad kristallisationsmetod, forskarna syntetiserade centimeterstora perovskit-enkristaller av Ruddlesden-Popper-fasen (en form av skiktad perovskitstruktur). Dessa speciellt beredda kristaller är mycket större än de vanliga mikronstorlekarna och gjorde att laget kunde dra av tunna lager från det med hjälp av "scotch tape" -metoden (liknande metod som används för att erhålla grafen från grafit). Dessa ultratunna kristaller användes sedan för experimenten.

Prof Loh sa:"Till skillnad från bulk perovskites där de organiska kedjorna av intilliggande lager är sammanflätade och tätt packade, lagret av organisk kedja på ultratunna perovskiter kan "slappna av" lättare under laser eller termisk aktivering. Denna "avslappning" -process förändrar deras ljusemissionsegenskaper. Vi fann att ljusutsläppet kan återgå till sitt ursprungliga tillstånd genom att begränsa ("avkoppla") ytan på det ultratunna perovskitskiktet. "

"Vi har också studerat atomstrukturen för dessa perovskiter med QPlus atomkraftmikroskop. Beroende på den tillförda värmeenergin, de organiska skikten på ytan kan sätta ihop och förändra kristallens optoelektroniska egenskaper på ett reversibelt sätt. Detta kan potentiellt användas för att utveckla optoelektroniska enheter som kan anpassas efter töjning, " tillade prof Loh.