Sub-angstrom niet-invasieve beeldvorming van atomaire rangschikking in 2D hybride perovskieten

Fig. 1. Op qPlus gebaseerde STM- en ncAFM-beeldvorming van het RPP-oppervlak. (A) Schema’s die een gecombineerde STM- en ncAFM-beeldvorming van het RPP-oppervlak tonen met behulp van een op stemvork gebaseerde qPlus-sensor. Atomaire lagen van de RPP-kristallen worden verkregen door een mechanische afschilfering en vervolgens overgebracht op het geleidende Au-substraat (optische afbeelding links). (B) STM-beeld van RPP verkregen bij een positieve voorspanning van het monster (Vs = +1,9 V). (C) ncAFM-afbeelding verzameld over hetzelfde oppervlak. ncAFM-afbeelding werd verkregen in de modus met constante hoogte, op een tip-sample-afstand van Δz = +100 pm ten opzichte van een origineel instelpunt van Vs = 2 V en I = 15 pA. Credit: Wetenschappelijke vooruitgang (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abj0395

Wetenschappers van de National University of Singapore hebben de niet-invasieve beeldvorming aangetoond van zowel de organische lagen als het onderliggende anorganische rooster van tweedimensionale (2D) hybride perovskieten op sub-angstrom-niveau.

De afgelopen jaren waren er wereldwijd een sterke toename van onderzoeksinteresse en een snelle groei op het gebied van 2D Ruddlesden-Popper halide perovskieten (RPP’s). 2D RPP’s zijn een soort perovskietkristal met nieuwe licht-materie-interactie en aanzienlijk verbeterde foto- en chemische stabiliteit. Ze hebben isolerende organische lagen die zijn ingeklemd tussen geleidende anorganische loodhalogenidestructuren.

De isolerende aard en zachtheid van de organische lagen en het “begraven” anorganische raamwerk maken de bepaling van de ruimtelijke atomaire rangschikking en het begrip van gerelateerde effecten in 2D RPP’s echter een uitdaging. Microscopische kennis van de atomaire rangschikkingen in 2D RPP’s ontbreekt nog: het aanpakken van dit aspect is van cruciaal belang, niet alleen voor fundamenteel begrip en controle van lading, excitondynamica en andere kwantumverschijnselen, maar ook voor hun technologische toepassingen in fotovoltaïsche en opto-elektronische apparaten.

Een NUS-onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Jiong Lu heeft in samenwerking met de onderzoeksgroep van professor Kian Ping Loh, beide van de afdeling Chemie van de National University of Singapore, een methode ontwikkeld voor niet-invasieve beeldvorming van zowel de bovenste organische lagen als hun onderliggend anorganisch rooster in 2D RPP op de sub-angstrom-schaal.

De onderzoekers gebruikten een combinatie van scanning tunneling microscopie (STM) en beeldvormingstechnieken (Figuur 1A). De STM-resultaten zorgden voor een atomaire reconstructie van het anorganische loodhalogeniderooster (Figuur 1B), terwijl de tip-gefunctionaliseerde ncAFM-beeldvorming een visualisatie mogelijk maakte van de bovenste organische lagen en de rangschikking ervan met betrekking tot het onderliggende anorganische rooster bij sub-angstrom-resolutie (Figuur 1C). De reconstructie van de organische lagen op het oppervlak, gepresenteerd door een goed geordende reeks die paren butylammoniumkationen bevat, bleek nauw verbonden te zijn met de vervorming van het anorganische rooster door waterstofbindingsinteracties. Dit werk werd gezamenlijk uitgevoerd met Prof. Pavel Jelínek van het Institute of Physics, Czech Academy of Sciences.

Met behulp van de Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) -techniek voerde het team ook de beeldvorming op atomaire schaal uit van de elektrostatische potentiaalvariatie over de paren butylammoniumkationen. Interessant genoeg onthulde dit afwisselend quasi-eendimensionale (1D) elektronen- en gatkanalen op aangrenzende interdomeingrenzen. Deze kunnen mogelijk exciton-diffusie over lange afstand mogelijk maken om de prestaties van op perovskiet gebaseerde fotovoltaïsche en opto-elektronische apparaten te verbeteren.

Prof Lu zei: “Onze bevindingen brengen niet alleen baanbrekende nanoschaalinzichten over de grondtoestandstructuur van zowel organische als anorganische motieven in RPP’s, maar werpen ook nieuw licht op het mechanisme van de efficiënte scheiding van foto-geëxciteerde elektron-gatparen en excitontransport daarin .”