Die Entwicklung von Perowskit-Materialien auf atomarer Ebene ebnet den Weg für neue Laser und LEDs

Forscher haben eine Technik entwickelt und demonstriert, die es ihnen ermöglicht, eine Klasse von Materialien namens Layered Hybrid Perovskites (LHPs) bis auf die atomare Ebene zu konstruieren, die genau vorgibt, wie die Materialien elektrische Ladung in Licht umwandeln. Die Technik öffnet die Tür zu technischen Materialien, die auf den Einsatz in gedruckten LEDs und Lasern der nächsten Generation zugeschnitten sind – und verspricht die Entwicklung anderer Materialien für den Einsatz in Photovoltaikgeräten.

Der Artikel „Cationic Ligation Guides Quantum Well Formation in Layered Hybrid Perovskites“ ist veröffentlicht im Tagebuch Gegenstand.

Perowskite, die durch ihre kristalline Struktur definiert werden, verfügen über wünschenswerte optische, elektronische und Quanteneigenschaften. LHPs bestehen aus unglaublich dünnen Schichten aus Perowskit-Halbleitermaterial, die durch dünne organische „Abstandsschichten“ voneinander getrennt sind.

LHPs können als dünne Filme aufgetragen werden, die aus mehreren Schichten Perowskit und organischen Abstandsschichten bestehen. Diese Materialien sind wünschenswert, da sie elektrische Ladung effizient in Licht umwandeln können, was sie für den Einsatz in LEDs, Lasern und photonischen integrierten Schaltkreisen der nächsten Generation vielversprechend macht.

Obwohl LHPs seit Jahren für die Forschungsgemeinschaft von Interesse sind, gab es wenig Verständnis dafür, wie diese Materialien konstruiert werden sollten, um ihre Leistungseigenschaften zu kontrollieren.

Um zu verstehen, was die Forscher entdeckt haben, muss man mit Quantentöpfen beginnen, bei denen es sich um Schichten aus Halbleitermaterial handelt, die zwischen Abstandsschichten eingelegt sind.

„Wir wussten, dass sich in LHPs Quantentöpfe bilden – das sind die Schichten“, sagt Aram Amassian, korrespondierender Autor einer Arbeit über die Arbeit und Professor für Materialwissenschaften und -technik an der North Carolina State University.

Und das Verständnis der Größenverteilung von Quantentöpfen ist wichtig, da Energie auf molekularer Ebene von Strukturen mit hoher Energie zu Strukturen mit niedriger Energie fließt.

„Ein Quantentopf mit einer Dicke von zwei Atomen hat eine höhere Energie als ein Quantentopf mit einer Dicke von fünf Atomen“, sagt Kenan Gundogdu, Co-Autor der Arbeit und Professor für Physik an der NC State. „Und damit die Energie effizient fließen kann, braucht man Quantentöpfe mit einer Dicke von drei und vier Atomen zwischen den Quantentöpfen mit einer Dicke von zwei und fünf Atomen. Grundsätzlich möchte man eine allmähliche Steigung haben, damit die Energie kaskadieren kann.“ .“

„Aber Leute, die LHPs studieren, stießen immer wieder auf eine Anomalie: Die Größenverteilung von Quantentöpfen in einer LHP-Probe, die mittels Röntgenbeugung nachgewiesen werden könnte, würde sich von der Größenverteilung von Quantentöpfen unterscheiden, die mithilfe optischer Spektroskopie nachgewiesen werden könnten“, sagt Amassian sagt.

„Zum Beispiel könnte Ihnen die Beugung zeigen, dass Ihre Quantentöpfe zwei Atome dick sind und dass es sich um einen dreidimensionalen Volumenkristall handelt“, sagt Amassian. „Aber die Spektroskopie könnte Ihnen sagen, dass es Quantentöpfe gibt, die zwei Atome, drei Atome und vier Atome dick sind, sowie die 3D-Massenphase.“

„Die erste Frage, die wir hatten, war also: Warum sehen wir diese grundlegende Diskrepanz zwischen Röntgenbeugung und optischer Spektroskopie? Und unsere zweite Frage war: Wie können wir die Größe und Verteilung von Quantentöpfen in LHPs steuern?“

Durch eine Reihe von Experimenten fanden die Forscher heraus, dass an der Beantwortung beider Fragen ein zentraler Akteur beteiligt war: Nanoplättchen.

„Nanoplättchen sind einzelne Schichten des Perowskitmaterials, die sich auf der Oberfläche der Lösung bilden, die wir zur Herstellung von LHPs verwenden“, sagt Amassian. „Wir haben herausgefunden, dass diese Nanoplättchen im Wesentlichen als Vorlagen für geschichtete Materialien dienen, die sich unter ihnen bilden. Wenn das Nanoplättchen also zwei Atome dick ist, bildet sich das LHP darunter als eine Reihe von zwei Atomen dicken Quantentöpfen.“

„Allerdings sind die Nanoplättchen selbst nicht stabil, wie der Rest des LHP-Materials. Stattdessen nimmt die Dicke der Nanoplättchen weiter zu und fügt mit der Zeit neue Atomschichten hinzu. Wenn das Nanoplättchen also drei Atome dick ist, bildet es drei- Atomquantentöpfe usw. Und schließlich wird das Nanoplättchen so dick, dass es zu einem dreidimensionalen Kristall wird.

Dieser Befund löste auch die seit langem bestehende Anomalie darüber, warum Röntgenbeugung und optische Spektroskopie unterschiedliche Ergebnisse lieferten. Die Beugung erkennt die Stapelung von Schichten und daher keine Nanoplättchen, während die optische Spektroskopie isolierte Schichten erkennt.

„Das Spannende ist, dass wir herausgefunden haben, dass wir das Wachstum von Nanoplättchen im Wesentlichen auf kontrollierte Weise stoppen können, indem wir im Wesentlichen die Größe und Verteilung von Quantentöpfen in LHP-Filmen anpassen“, sagt Amassian. „Und indem wir die Größe und Anordnung der Quantentöpfe steuern, können wir hervorragende Energiekaskaden erzielen – was bedeutet, dass das Material Ladungen und Energie für Laser- und LED-Anwendungen hocheffizient und schnell weiterleitet.“

Als die Forscher herausfanden, dass Nanoplättchen eine so entscheidende Rolle bei der Bildung von Perowskitschichten in LHPs spielten, beschlossen sie zu prüfen, ob Nanoplättchen verwendet werden könnten, um die Struktur und Eigenschaften anderer Perowskitmaterialien zu manipulieren – beispielsweise der Perowskite, die zur Umwandlung von Licht in Elektrizität verwendet werden in Solarzellen und anderen Photovoltaiktechnologien.

„Wir haben herausgefunden, dass die Nanoplättchen eine ähnliche Rolle in anderen Perowskit-Materialien spielen und zur Entwicklung dieser Materialien verwendet werden können, um die gewünschte Struktur zu verbessern und so ihre photovoltaische Leistung und Stabilität zu verbessern“, sagt Milad Abolhasani, Co-Autor der Arbeit und ALCOA-Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der NC State.

Das Papier wurde gemeinsam von Kasra Darabi, Fazel Bateni, Tonghui Wang, Laine Taussig und Nathan Woodward verfasst, die alle promoviert sind. Absolventen der NC State; Mihirsinh Chauhan, Boyu Guo, Jiantao Wang, Dovletgeldi Seyitliyev, Masoud Ghasemi und Xiangbin Han, die alle Postdoktoranden am NC State sind; Evgeny Danilov, Direktor des Imaging and Kinetics Spectroscopy Laboratory am NC State; Xiaotong Li, Assistenzprofessor für Chemie an der NC State; und Ruipeng Li vom Brookhaven National Laboratory.