Jonbeteende i organisk blyhalogenidperovskit. Bromidjonen (Br-) i lösningen kan enkelt bytas ut mot jodidjonen (I-) inuti kristallen. Halidjonernas rörelse inuti kristallen sätts igång av hålen där halogenidatomerna har avlägsnats. Kredit:Kobe University
Hybrida organisk-oorganiska perovskiter har fått mycket uppmärksamhet som potentiella nästa generations solceller och som material för ljusemitterande enheter.
Kobe Universitys docent Tachikawa Takashi (av Molecular Photoscience Research Center) och Dr. Karimata Izuru (tidigare doktorand engagerad i forskning vid Graduate School of Science) har lyckats med att helt ersätta halidjonerna i perovskit-nanokristaller samtidigt som de behåller sin morfologi och ljusavgivande effektivitet.
Vidare, genom att använda tekniker som fotoluminescensavbildning med en partikel, forskarna kunde förstå de tillfälliga förändringarna i ljusemission och kristallstrukturen, vilket i sin tur gjorde det möjligt för dem att utveckla en princip för att kontrollera jonsammansättningen.
Det förväntas att dessa forskningsresultat kommer att bidra till att möjliggöra syntes av perovskiter av varierande sammansättning och att främja utvecklingen av anordningar som använder dem. Dessutom, man hoppas att flexibiliteten hos perovskitstrukturer kan utnyttjas, gör det möjligt att applicera dem på enheter och skapa nya funktionella material.
Dessa resultat publicerades i den tyska akademiska tidskriften Angewandte Chemie International Edition den 19 oktober, 2020.
Hybrida organisk-oorganiska perovskiter, såsom organiska blyhalogenidperovskiter (till exempel, CH 3 NH 3 PbX 3 (X =Cl, Br, I)), har fått uppmärksamhet över hela världen som ett lovande material för högeffektiva solceller. Vidare, färgen på ljuset som de avger kan kontrolleras genom att ändra typen och sammansättningen av halogenidjonerna. Följaktligen, man hoppas att hybrid organisk-oorganisk perovskiter kan appliceras på ljusemitterande enheter som skärmar och lasrar.
Dock, halogenidjonerna inuti kristallerna är kända för att röra sig även vid rumstemperatur, och denna höga flexibilitet orsakar problem som minskningar av både syntesreproducerbarhet och enhetens hållbarhet.
Överst:Enpartikelfotoluminescensavbildning av halogenidutbytesreaktionen med hjälp av flödesreaktorn. Ljuset som sänds ut ändrades från rött till grönt medan kristallerna bibehöll sin morfologi och ljusemitterande effektivitet. Nedan:Illustration av strukturella förändringar av perovskit-nanokristallen orsakade av halidutbytesreaktionen. Det mörka tillståndet orsakas av otillräcklig elektrisk laddning för ljusgenerering, som resulterade från störningen av kristallens inre struktur (defekter). Kredit:Tachikawa Takashi
I den här studien, forskarna använde en skräddarsydd flödesreaktor för att exakt kontrollera utbytesreaktionen mellan CH 3 NH 3 PbI 3 nanokristaller och Br - joner i lösning. Detta gjorde det möjligt för dem att framgångsrikt omvandla nanokristallerna till CH 3 NH 3 PbBr 3 nanokristaller samtidigt som de behåller sin morfologi och ljusavgivande effektivitet.
Det är viktigt att veta vilken typ av reaktion som kommer att inträffa inuti kristallerna för att utveckla syntestekniker. För att förstå detta, forskarna använde ett fluorescensmikroskop för att observera hur varje enskild nanokristall reagerade. Från denna observation, de förstod att när det röda ljuset som sänds ut av CH 3 NH 3 PbI 3 hade helt försvunnit, grönt ljus som kommer från CH 3 NH 3 PbBr 3 genererades plötsligt efter ett intervall på 10s till 100s av sekunder. Baserat på resultaten av strukturanalys med hjälp av en röntgenstråle, det avslöjades att Br - joner ersatte I - joner inuti kristallstrukturen medan ett bromidrikt skikt bildades på ytan. Efteråt, bromiden på ytskiktet flyttade gradvis in i de inre områdena.
Man tror att de röda ljusemissionerna blev omöjliga att observera eftersom de inre områdena av kristallstrukturen var delvis oordnade under jonövergången, vilket ledde till förlust av energi som behövs för ljusemission. Senare, CH 3 NH 3 PbBr 3 kristallkärnor bildades inuti nanokristallpartikeln och en samverkande övergång till det grönt ljusgenererande tillståndet inträffade.
Från dessa resultat, det kan sägas att temporärt separering av kristallstrukturövergångarna och den efterföljande omstruktureringen (som sker på en nanometerskala) är en av nycklarna till det framgångsrika, exakt syntes av organiska blyhalogenidperovskiter.
The structural transformation process observed in perovskite nanocrystals in this study is thought to be related to all modes of nanomaterial synthesis that are based on ion exchange, therefore future research could hopefully illuminate the underlying mechanism. Although researchers have a negative impression of organic halide perovskites' flexibility, it is hoped that this characteristic could be exploited and applied to the development of new materials and devices that can react to the environment and external stimuli.
