Wetenschappers creëren nieuwe bandgap-afstembare 2D-nanosheets gemaakt van perovskietoxynitrides

Tweedimensionale enkellaagse nanosheets gemaakt van gelaagd perovskiet hebben veel wenselijke eigenschappen. Het was echter moeilijk om ze te creëren met instelbare bandgaps in het zichtbare gebied zonder zuurstofdefecten toe te voegen. Onlangs konden onderzoekers uit Japan met succes chemisch stabiele nanosheets ontwikkelen van perovskietoxynitrides met controleerbare bandgaps. Deze nanosheets hebben een enorm potentieel voor toekomstig gebruik in fotokatalyse, elektrokatalysatoren en andere duurzame technologieën.

Nanosheets, waaronder het bekende materiaal grafeen, zijn materialen met homogene diktes op nanoschaal, vlakke oppervlakken en een hoge kristalliniteit. Nanosheets hebben brede toepassingen in fotokatalyse, fotoluminescentie en elektronica.

Onlangs hebben perovskieten, die halfgeleidereigenschappen hebben, aandacht gekregen in de wetenschappelijke gemeenschap als een veelbelovend materiaal voor het produceren van tweedimensionale (2D) enkellaagse nanosheets. Deze nanosheets zouden echter een bandafstand moeten hebben die overeenkomt met de energie van zichtbaar licht om bruikbaar te zijn, omdat dit zou bepalen wanneer de halfgeleider elektriciteit geleidt. De afstembaarheid van de bandgap is een grote uitdaging gebleven voor onderzoekers, aangezien het moeilijk is om 2D-nanosheets te maken van perovskiet met een afstembare bandgap.

Om dit probleem op te lossen, besloot een team van onderzoekers van Kumamoto University, waaronder professor Shintaro Ida van het Institute of Industrial Nanomaterials, zich te concentreren op een groep perovskietmaterialen die bekend staan ​​als Ruddlesden-Popper (RP) fasegelaagde perovskietoxynitrides. In hun paper gepubliceerd in het tijdschrift Kleinwaren de onderzoekers in staat om met hun nieuwe proces met succes 2D perovskiet oxynitride nanosheets te maken met een instelbare bandgap.

“Metal oxynitride halfgeleider nanosheets die zuurstof, stikstof en een metaal bevatten, zijn niet veel onderzocht. Dunne films gemaakt van deze materialen demonstreren functies die superieur zijn aan die van oxiden. Hun synthese zal dus een enorme impact hebben op dit gebied. We hebben nanosheets gesynthetiseerd van RP-fase perovskietoxynitriden waarvan de eigenschappen, zoals de bandgap, vrij kunnen worden afgesteld”, legt prof. Ida uit, de corresponderende auteur van het onderzoek.

De onderzoekers gebruikten eerst ongerepte Dion-Jacobson-fase lanthaanniobiumoxide (KLaNb₂O₇) als voorlopermateriaal. Vervolgens voegden ze hier stikstof aan toe via een proces dat nitridatie wordt genoemd. De onderzoekers voegden stikstof bij verschillende temperaturen van 750 tot 800℃ toe aan het materiaal. Dit leidde tot de creatie van het RP-fase oxynitridederivaat. Hierna konden ze een intercalatieproces in twee stappen gebruiken om lanthaanniobiumoxynitride-nanosheets te exfoliëren met de formule LaNb₂O_7-xN_X (‘x’ is de hoeveelheid stikstof die aan het perovskiet is toegevoegd).

Bij het testen van deze nanosheets zagen de onderzoekers dat het materiaal een homogene dikte had van 1,6 nm en verschillende kleuren vertoonde, variërend van wit tot geel, afhankelijk van de nitridatietemperatuur. De nanosheets vertoonden ook de gewenste halfgeleidereigenschap van een instelbare bandgap in het zichtbare gebied, variërend van 2,03–2,63 eV, gebaseerd op de nitridatietemperatuur.

Het team bereidde vervolgens een “superrooster” -structuur voor bestaande uit afwisselende lagen van de gesynthetiseerde nanosheets en oxide (Ca₂Nr₃O₁₀) nanobladen. Bij het testen van de eigenschappen van dit superrooster ontdekten ze dat het superieure protongeleiding en uitstekende fotokatalytische activiteit vertoonde.

“De resultaten van deze studie zullen nieuwe mogelijkheden openen voor het produceren van meerdere superroosters door gebruik te maken van zachtchemische nano-architectonische technieken op basis van 2D-nanobladen”, zegt prof. Ida. “Dit zal ons een stap dichter bij een duurzame samenleving brengen, aangezien deze nanosheets een efficiënte splitsing van water als fotokatalysator mogelijk maken en ook bij het creëren van complexere en beter presterende elektronica.”