Forskare vid Duke University har avslöjat länge gömd molekylär dynamik som ger önskvärda egenskaper för solenergi och värmeenergitillämpningar till en spännande klass av material som kallas halidperovskiter.

En viktig bidragande orsak till hur dessa material skapar och transporterar elektricitet beror bokstavligen på hur deras atomiska gitter vrids och vrids på ett gångjärnsliknande sätt. Resultaten kommer att hjälpa materialforskare i deras strävan att skräddarsy de kemiska recepten för dessa material för ett brett spektrum av tillämpningar på ett miljövänligt sätt.

Resultaten visas online den 15 mars i tidskriften Naturmaterial .

"Det finns ett brett intresse för halogenidperovskiter för energitillämpningar som solceller, termoelektriska, optoelektronisk strålningsdetektering och emission – hela fältet är otroligt aktivt, sa Olivier Delaire, docent i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke. "Medan vi förstår att mjukheten hos dessa material är viktig för deras elektroniska egenskaper, ingen visste riktigt hur de atomära rörelserna vi har avslöjat underbygger dessa egenskaper."

Perovskiter är en klass av material som – med rätt kombination av element – ​​odlas till en kristallin struktur som gör dem särskilt väl lämpade för energitillämpningar. Deras förmåga att absorbera ljus och överföra dess energi effektivt gör dem till ett gemensamt mål för forskare som utvecklar nya typer av solceller, till exempel. De är också mjuka, ungefär som hur massivt guld lätt kan bucklas, vilket ger dem förmågan att tolerera defekter och undvika sprickbildning när de görs till en tunn film.

En storlek, dock, passar inte alla, eftersom det finns ett brett utbud av potentiella recept som kan bilda en perovskite. Många av de enklaste och mest studerade recepten inkluderar en halogen - som klor, fluor eller brom – vilket ger dem namnet halogenidperovskiter. I den kristallina strukturen hos perovskiter, dessa halogenider är lederna som binder samman angränsande oktaedriska kristallmotiv.

Även om forskare har känt till att dessa pivotpunkter är viktiga för att skapa en perovskites egenskaper, ingen har kunnat titta på hur de låter strukturerna runt dem vrida sig dynamiskt, vänd och böja utan att gå sönder, som en Jell-O-form som skakas kraftigt.

"Dessa strukturella rörelser är notoriskt svåra att fastställa experimentellt. Den valda tekniken är neutronspridning, som kommer med enorma instrument- och dataanalysinsatser, och väldigt få grupper har kommandot över tekniken som Olivier och hans kollegor gör, sa Volker Blum, professor i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke som gör teoretisk modellering av perovskiter, men var inte involverad i denna studie. "Detta betyder att de är i en position att avslöja grunden för materialegenskaperna i grundläggande perovskiter som annars inte går att nå."

I studien, Delaire och kollegor från Argonne National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory, National Institute of Standards and Technology, och Northwestern University, avslöja viktig molekylär dynamik hos det strukturellt enkla, vanligt undersökt halogenidperovskit (CsPbBr ₃ ) för första gången.

Forskarna började med en stor, centimeter skala, enkristall av halogenidperovskiten, som är notoriskt svårt att växa till sådana storlekar – en viktig anledning till att denna typ av dynamiska studier inte har uppnåtts tidigare. De spärrade sedan kristallen med neutroner vid Oak Ridge National Laboratory och röntgenstrålar vid Argonne National Laboratory. Genom att mäta hur neutroner och röntgenstrålar studsade från kristallerna över många vinklar och vid olika tidsintervall, forskarna retade ut hur dess beståndsdelar atomer rörde sig över tiden.

Efter att ha bekräftat sin tolkning av mätningarna med datorsimuleringar, forskarna upptäckte hur aktivt det kristallina nätverket faktiskt är. Åttasidiga oktaedriska motiv fästa vid varandra genom bromatomer fångades med att vrida sig kollektivt i plattliknande domäner och ständigt böjas fram och tillbaka på ett mycket vätskeliknande sätt.

"På grund av hur atomerna är ordnade med oktaedriska motiv som delar bromatomer som leder, de är fria att ha dessa rotationer och böjar, ", sa Delaire. "Men vi upptäckte att dessa halidperovskiter i synnerhet är mycket mer "floppiga" än vissa andra recept. Istället för att omedelbart återgå till formen, de återvänder mycket långsamt, nästan mer som Jell-O eller en vätska än en konventionell fast kristall."

Delaire förklarade att denna frisinnade molekylära dans är viktig för att förstå många av de önskvärda egenskaperna hos halidperovskiter. Deras "floppighet" hindrar elektroner från att rekombinera in i hålen som de inkommande fotonerna slog ut dem ur, vilket hjälper dem att göra mycket elektricitet från solljus. Och det gör det troligen också svårt för värmeenergi att färdas över den kristallina strukturen, vilket gör att de kan skapa elektricitet från värme genom att ena sidan av materialet är mycket varmare än den andra.

Eftersom perovskiten som användes i studien-CsPbBr ₃ -har ett av de enklaste recepten, men innehåller redan de strukturella egenskaper som är gemensamma för den breda familjen av dessa föreningar, Delaire tror att dessa fynd sannolikt gäller ett stort antal halogenidperovskiter. Till exempel, han citerar hybrida organiska-oorganiska perovskiter (HOIPs), som har mycket mer komplicerade recept, samt blyfria dubbelperovskitvarianter som är mer miljövänliga.

"Denna studie visar varför detta perovskitramverk är speciellt även i de enklaste fallen, ", sa Delaire. "Dessa fynd sträcker sig sannolikt till mycket mer komplicerade recept, som många forskare över hela världen för närvarande forskar på. När de granskar enorma beräkningsdatabaser, den dynamik vi har avslöjat kan hjälpa till att bestämma vilka perovskiter vi ska satsa på."