Till den växande listan över tvådimensionella halvledare, såsom grafen, bornitrid, och molybden -disulfid, vars unika elektroniska egenskaper gör dem till potentiella efterföljare av kisel i framtida enheter, du kan nu lägga till hybrid organiska-oorganiska perovskiter. Dock, till skillnad från de andra utmanarna, som är kovalenta halvledare, dessa 2D -hybridperovskiter är joniska material, vilket ger dem egna egenskaper.

Forskare vid US Department of Energy (DOE) s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har framgångsrikt odlat atomtunna 2D-ark av organiskt-oorganiska hybridperovskiter från lösning. De ultratunna arken är av hög kvalitet, stort område, och fyrkantiga. De uppvisade också effektiv fotoluminescens, färgjusterbarhet, och en unik strukturell avslappning som inte finns i kovalenta halvledarark.

"Vi tror att detta är det första exemplet på 2D atomtunna nanostrukturer gjorda av joniska material, "säger Peidong Yang, en kemist med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och världsmyndigheten för nanostrukturer, som först kom på idén för denna forskning för 20 år sedan. "Resultaten av vår studie öppnar möjligheter för grundläggande forskning om syntes och karakterisering av atomtunna 2D-hybridperovskiter och introducerar en ny familj av 2D-lösningsbehandlade halvledare för nanoskala optoelektroniska enheter, såsom fälteffekttransistorer och fotodetektorer. "

Yang, som också har möten med University of California (UC) Berkeley och är meddirektör för Kavli Energy NanoScience Institute (Kavli-ENSI), är motsvarande författare till ett papper som beskriver denna forskning i tidskriften Vetenskap . Papperet har titeln "Atomiskt tunna tvådimensionella organiska-oorganiska hybridperovskiter." Huvudförfattarna är Letian Dou, Andrew Wong och Yi Yu, alla medlemmar i Yangs forskargrupp. Andra författare är Minliang Lai, Nikolay Kornienko, Samuel Eaton, Anthony Fu, Connor Bischak, Jie Ma, Tina Ding, Naomi Ginsberg, Lin-Wang Wang och Paul Alivisatos.

Traditionella perovskiter är vanligtvis metalloxidmaterial som uppvisar ett brett spektrum av fascinerande elektromagnetiska egenskaper, inklusive ferroelektricitet och piezoelektricitet, supraledning och kolossal magnetoresistans. Under de senaste åren har organiska-oorganiska hybridperovskiter har behandlats till tunna filmer eller bulkkristaller för solcellsanordningar som har uppnått en 20-procentig effektomvandlingseffektivitet. Att separera dessa hybridmaterial till individuella, fristående 2D-ark genom tekniker som spinnbeläggning, kemisk ångavsättning, och mekanisk peeling har haft begränsad framgång.

År 1994, medan en doktorand vid Harvard University, Yang föreslog en metod för att förbereda 2D hybrid perovskit -nanostrukturer och ställa in deras elektroniska egenskaper men agerade aldrig på det. Det senaste året, medan han förbereder sig för att flytta sitt kontor, han kom på förslaget och gav det vidare till medledande författaren Dou, en postdoktorand i sin forskargrupp. Gör du, arbetar främst med de andra huvudförfattarna Wong och Yu, använde Yangs förslag för att syntetisera fristående 2D-ark CH3NH3PbI3, en hybridperovskit gjord av en blandning av bly, brom, kväve, kol- och väteatomer.

"Till skillnad från exfoliering och kemiska ångavlagringsmetoder, som normalt producerar relativt tjocka perovskitplattor, vi kunde odla enhetliga fyrkantiga 2D-kristaller på ett plant underlag med hög avkastning och utmärkt reproducerbarhet, "säger Dou." Vi kännetecknade strukturen och sammansättningen av enskilda 2D-kristaller med hjälp av en mängd olika tekniker och fann att de har en något förskjuten bandkantemission som kan hänföras till strukturell avslappning. En preliminär fotoluminescensstudie indikerar ett band-edge-utsläpp vid 453 nanometer, som rödförskjuts något jämfört med bulkkristaller. Detta tyder på att färgjustering kan uppnås i dessa 2D-hybridperovskiter genom att ändra plåttjocklek såväl som sammansättning via syntes av besläktade material. "

Den väldefinierade geometrin hos dessa fyrkantiga 2D-kristaller är kännetecknet för högkvalitativ kristallinitet, och deras stora storlek bör underlätta deras integration i framtida enheter.

"Med vår teknik, vertikala och laterala heterostrukturer kan också uppnås, "Yang säger." Detta öppnar nya möjligheter för design av material/anordningar i atom-/molekylär skala med distinkta nya egenskaper. "