Perovskites är bland de mest undersökta ämnena inom materialvetenskap. Nyligen har ett forskarlag från Hong Kong Polytechnic University (PolyU) löst en uråldrig utmaning att syntetisera helt organiska tvådimensionella perovskiter, vilket utökar fältet till den spännande sfären av 2D-material.

Teamet leddes av professor Loh Kian Ping, ordförande professor i materialfysik och kemi och global STEM-professor vid institutionen för tillämpad fysik, dr. Kathy Leng, biträdande professor vid samma avdelning, tillsammans med dr. Hwa Seob Choi, postdoktor. Forskningsstipendiat och forskningsuppsatsens första författare.

Detta genombrott öppnar upp ett nytt fält av 2D-helorganiska perovskiter, som lovar både grundläggande vetenskap och potentiella tillämpningar. Denna forskning, med titeln "Molecularly thin, two-dimensional all-organic perovskites," publicerades nyligen i tidskriften Science .

Perovskiter är uppkallade efter deras strukturella likhet med mineralet kalciumtitanatperovskit och är välkända för sina fascinerande egenskaper som kan appliceras inom vittomfattande områden som solceller, belysning och katalys. Med en grundläggande kemisk formel ABX₃ , har perovskiter förmågan att finjusteras genom att justera A- och B-katjonerna samt X-anjonen, vilket banar väg för utvecklingen av högpresterande material.

Medan perovskit först upptäcktes som en oorganisk förening, har Prof. Lohs team fokuserat sin uppmärksamhet på den framväxande klassen av helt organiska perovskiter. I denna nya familj är A-, B- och X-beståndsdelar organiska molekyler snarare än enskilda atomer som metaller eller syre.

Designprinciperna för att skapa tredimensionella (3D) perovskiter med hjälp av organiska komponenter har bara nyligen fastställts. Helt organiska perovskiter erbjuder tydliga fördelar jämfört med sina helt oorganiska motsvarigheter, eftersom de är lösningsbearbetbara och flexibla, vilket möjliggör kostnadseffektiv tillverkning.

Dessutom, genom att manipulera den kemiska sammansättningen av kristallen, kan värdefulla elektromagnetiska egenskaper såsom dielektriska egenskaper, som kan användas inom elektronik och kondensatorer, konstrueras exakt.

Traditionellt står forskare inför utmaningar i syntesen av helt organiska 3D-perovskiter på grund av det begränsade urvalet av organiska molekyler som kan passa med kristallstrukturen. Prof. Loh och hans team insåg denna begränsning och föreslog ett innovativt tillvägagångssätt:syntetisering av helt organiska perovskiter i form av 2D-lager istället för 3D-kristaller.

Denna strategi syftade till att övervinna de begränsningar som skrymmande molekyler inför och underlätta införlivandet av ett bredare utbud av organiska joner. Det förväntade resultatet var uppkomsten av nya och extraordinära egenskaper i dessa material.

Genom att validera sin förutsägelse utvecklade teamet en ny allmän klass av skiktade organiska perovskiter. Efter konventionen för att namnge perovskiter, kallade de det "Choi-Loh-v-fasen" (CL-v) efter Dr. Choi och Prof. Loh.

Dessa perovskiter omfattar molekylärt tunna skikt som hålls samman av krafter som håller ihop grafitskikten, de så kallade van der Waals-krafterna - därav "v" i CL-v. Jämfört med de tidigare studerade hybrid-2D-perovskiterna, stabiliseras CL-v-fasen genom tillsats av ytterligare en B-katjon i enhetscellen och har den allmänna formeln A₂ B₂ X₄ .

Med hjälp av lösningsfaskemi förberedde forskargruppen ett CL-v-material känt som CMD-N-P₂ , där A-, B- och X-ställena är upptagna av CMD (en klorerad cyklisk organisk molekyl), ammonium och PF₆ ^- joner, respektive. Den förväntade kristallstrukturen bekräftades genom högupplöst elektronmikroskopi utförd vid kryogen temperatur.

Dessa molekylärt tunna organiska 2D-perovskiter skiljer sig fundamentalt från traditionella 3D-mineraler, de är enkristallina i två dimensioner och kan exfolieras som hexagonala flingor bara några nanometer tjocka – 20 000 gånger tunnare än ett människohår.

Lösningsbearbetbarheten hos organiska 2D-perovskiter erbjuder spännande möjligheter för deras tillämpning i 2D-elektronik. Poly U-teamet genomförde mätningar på de dielektriska konstanterna för CL-v-fasen, vilket gav värden från 4,8 till 5,5. Dessa värden överträffar de för vanliga material som kiseldioxid och hexagonal bornitrid.

Denna upptäckt etablerar en lovande väg för att införliva CL-v-fas som ett dielektriskt skikt i 2D elektroniska enheter, eftersom dessa enheter ofta kräver 2D dielektriska skikt med höga dielektriska konstanter, som vanligtvis är knappa.

Teammedlemmen Dr Leng tog sig an utmaningen att integrera 2D organiska perovskites med 2D-elektronik. I deras tillvägagångssätt användes CL-v-fasen som det övre gate dielektriska skiktet, medan kanalmaterialet bestod av atomärt tunn molybdensulfid.

Genom att använda CL-v-fasen uppnådde transistorn överlägsen kontroll över strömflödet mellan source- och drain-terminalerna, vilket överträffade kapaciteten hos konventionella dielektriska kiseloxidskikt.

Prof. Lohs forskning etablerar inte bara en helt ny klass av helt organiska perovskiter utan visar också hur de kan lösningsbearbetas i kombination med avancerad tillverkningsteknik för att förbättra prestandan hos elektroniska 2D-enheter. Denna utveckling öppnar nya möjligheter för att skapa mer effektiva och mångsidiga elektroniska system.

Mer information: Hwa Seob Choi et al, Molekylärt tunna, tvådimensionella helorganiska perovskiter, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk8912

Journalinformation: Vetenskap

Tillhandahålls av Hong Kong Polytechnic University