Fig. 1. qPlus-baserad STM- och ncAFM-avbildning av RPP-ytan. (A) Schema som visar en kombinerad STM- och ncAFM-avbildning av RPP-ytan med hjälp av en stämgaffelbaserad qPlus-sensor. Atomskikt av RPP-kristallerna erhålls genom en mekanisk exfoliering och överförs sedan till det ledande Au-substratet (optisk bild till vänster). (B) STM-bild av RPP förvärvad vid positiv provförspänning (Vs =+1,9 V). (C) ncAFM-bild samlad över samma yta. ncAFM-bild förvärvades i konstant höjdläge, vid ett spetsprovavstånd av Δz =+100 pm med avseende på ett ursprungligt börvärde på Vs =2 V och I =15 pA. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abj0395
National University of Singapores forskare har visat icke-invasiv avbildning av både de organiska skikten och underliggande oorganiska gitter av tvådimensionella (2D) hybridperovskiter på sub-ångströmsnivå.
De senaste åren har sett ett uppsving av forskningsintresse över hela världen och snabb tillväxt inom området 2D Ruddlesden-Popper halide perovskites (RPP). 2D RPP är en typ av perovskitkristall med ny ljus-materia-interaktion och avsevärt förbättrad foto- och kemisk stabilitet. De har isolerande organiska skikt inklämda mellan ledande oorganiska bly-halogenider.
Den isolerande naturen och mjukheten hos de organiska skikten och det "begravda" oorganiska ramverket gör dock bestämningen av det rumsliga atomarrangemanget och förståelsen av relaterade effekter i 2D RPP till en utmaning. Mikroskopisk kunskap om atomarrangemangen i 2D RPP saknas fortfarande:att ta itu med denna aspekt är avgörande inte bara för grundläggande förståelse och kontroll av laddning, excitondynamik och andra kvantfenomen, utan också för deras tekniska tillämpningar i fotovoltaiska och optoelektroniska enheter.
En NUS-forskargrupp ledd av docent Jiong Lu, i samarbete med professor Kian Ping Lohs forskargrupp, båda från Institutionen för kemi vid National University of Singapore har utvecklat en metod för icke-invasiv avbildning av både de översta organiska lagren och deras underliggande oorganiskt gitter i 2D RPP på sub-ångströmskalan.
Forskarna använde en kombination av scanning tunneling microscopy (STM) och avbildningstekniker (Figur 1 A). STM-resultaten gav en atomrekonstruktion av det oorganiska bly-halogenidgittret (Figur 1 B), medan den spetsfunktionaliserade ncAFM-avbildningen möjliggjorde en visualisering av de översta organiska skikten och dess arrangemang med avseende på det underliggande oorganiska gittret vid sub-ångströmsupplösning (Figur 1C). Rekonstruktionen av de organiska skikten på ytan, presenterad av en välordnad array innehållande par av butylammoniumkatjoner, visade sig vara intimt sammankopplad med deformationen av det oorganiska gittret genom vätebindningsinteraktioner. Detta arbete utfördes tillsammans med Prof. Pavel Jelínek från Institutet för fysik, Tjeckiska vetenskapsakademin.
Med hjälp av Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM)-tekniken genomförde teamet också atomskalig avbildning av den elektrostatiska potentialvariationen över paren av butylammoniumkatjoner. Intressant nog avslöjade detta alternerande kvasi-endimensionella (1D) elektron- och hålkanaler vid angränsande interdomängränser. Dessa kan potentiellt möjliggöra långdistansexcitondiffusion för att förbättra prestandan hos perovskitbaserade fotovoltaiska och optoelektroniska enheter.
Prof Lu sa:"Våra fynd ger inte bara nyskapande insikter i nanoskala om grundtillståndsstrukturen för både organiska och oorganiska motiv i RPP, utan kastar också nytt ljus över mekanismen för effektiv separation av fotoexciterade elektron-hålpar och excitontransport i dem. ." + Utforska vidare
