Het ontwikkelen van perovskietmaterialen op atomair niveau maakt de weg vrij voor nieuwe lasers, LED’s

Onderzoekers hebben een techniek ontwikkeld en gedemonstreerd waarmee ze een klasse materialen kunnen ontwikkelen die gelaagde hybride perovskieten (LHP’s) worden genoemd, tot op atomair niveau, wat precies dicteert hoe de materialen elektrische lading in licht omzetten. De techniek opent de deur naar technische materialen die op maat zijn gemaakt voor gebruik in geprinte LED’s en lasers van de volgende generatie – en is veelbelovend voor de ontwikkeling van andere materialen voor gebruik in fotovoltaïsche apparaten.

Het artikel, “Cationic Ligation Guides Quantum Well Formation in Layered Hybrid Perovskites”, is dat wel gepubliceerd in het journaal Materie.

Perovskieten, die worden gedefinieerd door hun kristallijne structuur, hebben gewenste optische, elektronische en kwantumeigenschappen. LHP’s bestaan ​​uit ongelooflijk dunne lagen perovskiet-halfgeleidermateriaal die van elkaar zijn gescheiden door dunne organische “spacer”-lagen.

LHP’s kunnen worden neergelegd als dunne films bestaande uit meerdere lagen perovskiet en organische afstandslagen. Deze materialen zijn wenselijk omdat ze elektrische lading efficiënt in licht kunnen omzetten, waardoor ze veelbelovend zijn voor gebruik in LED’s, lasers en fotonische geïntegreerde schakelingen van de volgende generatie.

Hoewel LHP’s al jaren van belang zijn voor de onderzoeksgemeenschap, bestond er weinig inzicht in de manier waarop deze materialen moesten worden ontwikkeld om hun prestatiekenmerken te beheersen.

Om te begrijpen wat de onderzoekers ontdekten, moet je beginnen met kwantumputten, dit zijn lagen halfgeleidermateriaal die tussen afstandslagen zijn ingeklemd.

“We wisten dat er zich kwantumputten vormden in LHP’s – het zijn de lagen”, zegt Aram Amassian, corresponderend auteur van een artikel over het werk en hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de North Carolina State University.

En het begrijpen van de grootteverdeling van kwantumputten is belangrijk omdat energie op moleculair niveau stroomt van hoogenergetische structuren naar laagenergetische structuren.

“Een kwantumbron die twee atomen dik is, heeft een hogere energie dan een kwantumbron die vijf atomen dik is”, zegt Kenan Gundogdu, co-auteur van het artikel en hoogleraar natuurkunde aan NC State. “En om de energie efficiënt te laten stromen, wil je kwantumputten hebben die drie tot vier atomen dik zijn, tussen de kwantumputten die twee tot vijf atomen dik zijn. Je wilt eigenlijk een geleidelijke helling hebben zodat de energie naar beneden kan stromen. .”

“Maar mensen die LHP’s bestudeerden, kwamen steeds een anomalie tegen: de grootteverdeling van kwantumputten in een LHP-monster dat via röntgendiffractie zou kunnen worden gedetecteerd, zou anders zijn dan de grootteverdeling van kwantumputten die zouden kunnen worden gedetecteerd met behulp van optische spectroscopie”, zegt Amassian. zegt.

“Diffractie zou je bijvoorbeeld kunnen vertellen dat je kwantumputten twee atomen dik zijn, en dat er een driedimensionaal bulkkristal is”, zegt Amassian. “Maar spectroscopie zou je kunnen vertellen dat je kwantumputten hebt die twee atomen, drie atomen en vier atomen dik zijn, evenals de 3D-bulkfase.

“Dus de eerste vraag die we hadden was: waarom zien we deze fundamentele kloof tussen röntgendiffractie en optische spectroscopie? En onze tweede vraag was: hoe kunnen we de grootte en distributie van kwantumputten in LHP’s controleren?”

Via een reeks experimenten ontdekten de onderzoekers dat er een belangrijke speler betrokken was bij het beantwoorden van beide vragen: nanoplaatjes.

“Nanoplaatjes zijn individuele vellen van het perovskietmateriaal die zich vormen op het oppervlak van de oplossing die we gebruiken om LHP’s te maken”, zegt Amassian. “We ontdekten dat deze nanoplaatjes in wezen dienen als sjablonen voor gelaagde materialen die zich eronder vormen. Dus als het nanoplaatje twee atomen dik is, vormt de LHP eronder zich als een reeks kwantumputten van twee atomen dik.

“De nanoplaatjes zelf zijn echter niet stabiel, zoals de rest van het LHP-materiaal. In plaats daarvan blijft de dikte van de nanoplaatjes groeien, waardoor er in de loop van de tijd nieuwe lagen atomen worden toegevoegd. Dus als het nanoplaatje drie atomen dik is, vormt het drie atomen. atoom-kwantumputten, enzovoort. En uiteindelijk wordt het nanoplaatje zo dik dat het een driedimensionaal kristal wordt.’

Deze bevinding loste ook de al lang bestaande anomalie op over waarom röntgendiffractie en optische spectroscopie verschillende resultaten opleverden. Diffractie detecteert het stapelen van vellen en detecteert daarom geen nanoplaatjes, terwijl optische spectroscopie geïsoleerde vellen detecteert.

“Het opwindende is dat we hebben ontdekt dat we de groei van nanoplaatjes op een gecontroleerde manier kunnen stoppen, door in wezen de grootte en distributie van kwantumputten in LHP-films af te stemmen”, zegt Amassian. “En door de grootte en opstelling van de kwantumputten te beheersen, kunnen we uitstekende energiecascades bereiken, wat betekent dat het materiaal zeer efficiënt en snel is in het geleiden van ladingen en energie voor laser- en LED-toepassingen.”

Toen de onderzoekers ontdekten dat nanoplaatjes zo’n cruciale rol speelden bij de vorming van perovskietlagen in LHP’s, besloten ze te kijken of nanoplaatjes gebruikt konden worden om de structuur en eigenschappen van andere perovskietmaterialen te manipuleren, zoals de perovskieten die gebruikt worden om licht in elektriciteit om te zetten. in zonnecellen en andere fotovoltaïsche technologieën.

“We ontdekten dat de nanoplaatjes een vergelijkbare rol spelen in andere perovskietmaterialen en kunnen worden gebruikt om die materialen te bewerken om de gewenste structuur te verbeteren, waardoor hun fotovoltaïsche prestaties en stabiliteit worden verbeterd”, zegt Milad Abolhasani, co-auteur van het artikel en ALCOA-professor. Chemische en biomoleculaire technologie bij NC State.

Het artikel is co-auteur van Kasra Darabi, Fazel Bateni, Tonghui Wang, Laine Taussig en Nathan Woodward, die allemaal Ph.D. afgestudeerden van NC State; Mihirsinh Chauhan, Boyu Guo, Jiantao Wang, Dovletgeldi Seyitliyev, Masoud Ghasemi en Xiangbin Han, allemaal postdoctorale onderzoekers bij NC State; Evgeny Danilov, directeur van het Imaging and Kinetics Spectroscopie Laboratory bij NC State; Xiaotong Li, een assistent-professor scheikunde bij NC State; en Ruipeng Li van het Brookhaven National Laboratory.