Perovskites är bland de mest studerade materialen inom modern materialvetenskap. Deras ofta unika och exotiska egenskaper, som härrör från perovskites säregna kristallstruktur, kan hitta revolutionerande tillämpningar inom olika banbrytande områden. Ett spännande sätt att förverkliga sådana egenskaper är genom den exakta ordningen av en perovskites defekter, såsom vakanser eller ersättningar.
Inom oxidkemi har forskare länge vetat att oxiddefekter spontant och konsekvent kan ordna sig genom hela kristallgittret, när de väl når vissa koncentrationer (t.ex. heltalsförhållande). Denna framväxande ordning kan ge upphov till attraktiva fastigheter. Även om defektordning har observerats flera gånger i perovskitoxider, kan detsamma inte sägas om hybridhalogenidperovskiter, sammansatta av en organisk katjon, en metallkatjon och en halidanjon.
I en studie publicerad i ACS Materials Letters , upptäckte ett forskarlag inklusive docent Takafumi Yamamoto från Tokyo Institute of Technology en ny defekt-ordnad skiktad halogenidperovskit, som belyser hur ordning kan uppstå genom defekter i dessa föreningar.
Detta arbete var inspirerat av ett tidigare fynd som rapporterats av forskarna, nämligen bildandet av "defektkolonner" som erhållits genom att introducera tiocyanatjoner (SCN − ) in i kristallgittret av FAPbI3 för att få FA6 Pb4 I13.5 (SCN)0,5 .
"Vi antog att om koncentrationen av SCN i gittret ökade, skulle mängden av PbI-kolonnära defekter också öka, vilket leder till olika typer av defektordning, vilket kan ses i vakansordnade perovskitoxider", förklarar Dr Yamamoto.
Teamet syntetiserade FAPbI3 perovskitpulver och enkristaller via solid state-reaktioner med exakt definierade koncentrationer av utgångsmaterial, inklusive specifika förhållanden av SCN – . De fann att när en lämplig hög andel SCN – användes representerades den erhållna perovskiten av formeln FA4 Pb2 I7.5 (SCN)0,5 .
Denna skiktade förening, liksom den tidigare rapporterade, uppvisade också kolumnära defekter som spänner över alla staplade skikt. Men till skillnad från FA6 Pb4 I13.5 (SCN)0,5 , där en femtedel av PbI-kolumnerna var ordnade defekterade, en tredjedel av alla kolumner i den nya FA4 Pb2 I7.5 (SCN)0,5 var defekter.
Den huvudsakliga nyheten med denna upptäckt är att den nya föreningen, tillsammans med den tidigare, bildar vad som kallas en "homolog serie". Detta innebär att systematiska variationer av föreningens kemiska formel, som kan representeras med hjälp av heltalsvariabler, resulterar i systematiska förändringar i dess egenskaper. I det här fallet fann forskarna att materialets optiska bandgap ökade med koncentrationen av ordnade defekter i gittret.
Värt att notera, detta arbete presenterar den första homologa serien baserad på defektordning som hittats för hybrida organiska-oorganiska perovskiter. "Denna studie ger en ny lekplats för defektteknik i organisk-oorganiska hybridperovskitföreningar. Vi tror att detta nya område har potential att utvecklas i analogi med den defektordning som redan setts i perovskitoxider", säger Dr. Yamamoto.
"Vi har också tillhandahållit en ny strategi för att kontrollera defektbeställningarna för justering av en perovskites optiska egenskaper genom att införliva SCN – ."
Forskarna hoppas att dessa resultat kommer att leda till framsteg inom ett spännande område av materialvetenskap, vilket i slutändan leder till nya perovskiter med användbara egenskaper för nästa generations teknik.
Mer information: FA4Pb2I7.5(SCN)0.5:n =3 Medlem av Perovskite Homologous Series FAn+1Pbn−1I3n−1.5(SCN)0.5 med kolumnära defekter, ACS Materials Letters (2024). DOI:10.1021/acsmaterialslett.3c01514
Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology
