Perovskite nanokrystaller lovar att förbättra en mängd olika optoelektroniska enheter - från lasrar till lysdioder (LED) - men problem med deras hållbarhet begränsar fortfarande materialets breda kommersiella användning.

Forskare vid Georgia Institute of Technology har visat ett nytt tillvägagångssätt som syftar till att ta itu med materialets hållbarhetsproblem:inneslutning av perovskiten inuti ett dubbelsidig skyddssystem av plast och kiseldioxid.

I en studie publicerad 29 november i tidskriften Vetenskapliga framsteg , forskargruppen beskriver en flerstegsprocess för att producera inneslutna perovskit -nanokristaller som uppvisar starkt motstånd mot nedbrytning i fuktiga miljöer.

"Perovskit -nanokristaller är mycket mottagliga för nedbrytning, särskilt när de kommer i kontakt med vatten, "sade Zhiqun Lin, professor vid Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Detta system med två skal erbjuder två lager av skydd samtidigt som varje nanokristall kan förbli en distinkt och separat enhet, uppnå maximal mängd yta och andra fysiska egenskaper hos perovskiten som behövs för att optimera optoelektroniska applikationer. "

Termen perovskit avser materialets kristallstruktur, som vanligtvis består av tre delar:två katjoner av olika storlekar och en anjon däremellan. I årtionden, forskare har testat att ersätta olika kemikalier i strukturen för att uppnå unika egenskaper. Särskilt, perovskiter som innehåller halogenidföreningar såsom bromid och jod kan fungera som ljusabsorberare och sändare.

För denna studie, som fick stöd av Air Force Office of Scientific Research, National Science Foundation, byrån för försvarshot, och energidepartementet, Lins grupp arbetade med en av de vanligaste halidkonfigurationerna, som bildas av metylammonium, leda, och bromid.

Deras process innebär att man först bildar stjärnformade plastmolekyler som kan fungera som "nanoreaktorer" genom att odla 21 polymerarmar på en enkel sockermolekyl. Sedan, när förstadiekemikalier för kiseldioxid och perovskit nanokristaller laddas på plastmolekylen, flera stadier av kemiska reaktioner producerar det slutliga systemet.

Efter att den stjärnformade plasten har spelat sin roll som nanoreaktor, de stjärnformade komponenterna förblir permanent fästa, nästan som hår, till kiseldioxiden, som omsluter perovskiten. Håren fungerar sedan som det första lagret av skydd, avvisar vatten och förhindrar att nanokristaller klumpar sig samman. Det efterföljande lagret kiseldioxid ger ytterligare skydd om vatten kommer förbi det vattenavvisande plasthåret.

"Syntes och tillämpningar av perovskit -nanokristaller har varit ett snabbt utvecklande forskningsfält under de senaste fem åren, "sa Yanjie He, en medförfattare av tidningen och tidigare doktorand vid Georgia Tech. "Vår strategi, baserad på en klokt utformad stjärnformad plast som nanoreaktor, möjliggör oöverträffad kontroll vid tillverkning av perovskitnanokristaller av hög kvalitet med komplex arkitektur, vilket är otillgängligt i konventionella metoder. "

För att testa materialet, forskarna belagde glasunderlag med en tunn film av de inkapslade perovskiterna och genomförde flera stresstester, inklusive nedsänkning av hela provet i avjoniserat vatten. Genom att lysa ultraviolett ljus på provet, de fann att perolskisternas fotoluminescerande egenskaper aldrig minskade under ett 30-minuters test. För jämförelse, forskarna sänkte också ner oinkapslade perovskiter i vatten och såg hur deras fotoluminescens försvann på några sekunder.

Lin sa att den nya metoden låser upp möjligheten att ställa in ytegenskaperna hos den dubbelskaliga nanokristallen för att förbättra dess prestanda i ett större antal applikationer. Processen att tillverka de nya perovskite-nanokristallerna från den stjärnformade plasten var också unik genom att den använde lösningsmedel med låg kokpunkt och låg toxicitet. Framtida forskning kan fokusera på att utveckla olika perovskit -nanokristallsystem, inklusive helt oorganiska perovskiter, dubbla perovskiter, och dopade perovskiter.

"Vi ser för oss att denna typ av perovskit -nanokristall kommer att visa sig vara mycket användbar för att skapa hållbara optoelektroniska enheter för bioavbildning, biosensorer, fotoniska sensorer, och strålningsdetektering, liksom nästa generations lysdioder, lasrar, och scintillatorer, "Sade Lin." Detta beror på att dessa håriga perovskit -nanokristaller har unika fördelar, inklusive hög defekttolerans, smalare utsläppsband, och hög scintillationseffektivitet. "