Spontan entstehende Kristallanordnungen in Perowskithalogeniden

Perowskite gehören zu den am ausführlichsten untersuchten Materialien in der modernen Materialwissenschaft. Ihre oft einzigartigen und exotischen Eigenschaften, die auf der besonderen Kristallstruktur von Perowskit beruhen, könnten revolutionäre Anwendungen in verschiedenen hochmodernen Bereichen finden. Eine interessante Möglichkeit, solche Eigenschaften zu realisieren, besteht in der genauen Anordnung der Defekte eines Perowskits, beispielsweise Leerstellen oder Substitutionen.

In der Oxidchemie wissen Wissenschaftler seit langem, dass sich Oxiddefekte spontan und konsistent im gesamten Kristallgitter anordnen können, sobald sie bestimmte Konzentrationen (z. B. ein ganzzahliges Verhältnis) erreichen. Aus dieser entstehenden Ordnung können attraktive Immobilien entstehen. Während in Perowskitoxiden bereits mehrfach eine Defektordnung beobachtet wurde, lässt sich dies nicht über hybride Halogenidperowskite sagen, die aus einem organischen Kation, einem Metallkation und einem Halogenidanion bestehen.

In einer Studie veröffentlicht in ACS-Materialbriefeentdeckte ein Forschungsteam, zu dem auch außerordentlicher Professor Takafumi Yamamoto vom Tokyo Institute of Technology gehörte, einen neuen geschichteten Halogenid-Perowskit mit Defektordnung und gab Aufschluss darüber, wie durch Defekte in diesen Verbindungen Ordnung entstehen kann.

Diese Arbeit wurde von einem früheren Befund der Forscher inspiriert, nämlich der Bildung von „Defektsäulen“, die durch die Einführung von Thiocyanationen (SCN−) in das Kristallgitter von FAPbI3 erhalten wurden, um FA6Pb4I13.5(SCN)0.5 zu erhalten.

„Wir stellten die Hypothese auf, dass bei einer Erhöhung der SCN-Konzentration im Gitter auch die Menge der säulenförmigen PbI-Defekte zunehmen würde, was zu unterschiedlichen Arten der Defektordnung führen würde, wie sie in durch Leerstellen geordneten Perowskitoxiden zu beobachten sind“, erklärt Dr. Yamamoto.

Das Team synthetisierte FAPbI3-Perowskit-Pulver und -Einkristalle über Festkörperreaktionen unter Verwendung genau definierter Konzentrationen von Ausgangsmaterialien, einschließlich spezifischer Verhältnisse von SCN–. Sie fanden heraus, dass bei Verwendung eines entsprechend hohen Anteils an SCN– der erhaltene Perowskit durch die Formel FA4Pb2I7.5(SCN)0.5 dargestellt wurde.

Diese Schichtverbindung wies wie die zuvor beschriebene auch säulenförmige Defekte auf, die sich über alle gestapelten Schichten erstreckten. Im Gegensatz zu FA6Pb4I13.5(SCN)0.5, bei dem ein Fünftel der PbI-Säulen ordnungsgemäß defekt war, waren im neuen FA4Pb2I7.5(SCN)0.5 ein Drittel aller Säulen defekt.

Die wichtigste Neuerung dieser Entdeckung besteht darin, dass die neue Verbindung neben der vorherigen eine sogenannte „homologe Reihe“ bildet. Dies bedeutet, dass systematische Variationen der chemischen Formel der Verbindung, die durch ganzzahlige Variablen dargestellt werden kann, zu systematischen Änderungen ihrer Eigenschaften führen. In diesem Fall stellten die Forscher fest, dass die optische Bandlücke des Materials mit der Konzentration geordneter Defekte im Gitter zunahm.

Bemerkenswert ist, dass diese Arbeit die erste homologe Reihe präsentiert, die auf der Defektordnung basiert, die für hybride organisch-anorganische Perowskite gefunden wurde. „Diese Studie bietet einen neuen Spielplatz für die Defekttechnik in organisch-anorganischen Hybrid-Perowskit-Verbindungen. Wir glauben, dass dieses neue Feld das Potenzial hat, sich in Analogie zur Defektordnung zu entwickeln, die bereits in Perowskit-Oxiden beobachtet wurde“, bemerkt Dr. Yamamoto.

„Wir haben auch eine neue Strategie zur Steuerung der Defektordnungen zur Abstimmung der optischen Eigenschaften eines Perowskits durch den Einbau von SCN– bereitgestellt.“

Die Forscher hoffen, dass diese Erkenntnisse zu Fortschritten in einem spannenden Bereich der Materialwissenschaften führen und letztendlich zu neuen Perowskiten mit nützlichen Eigenschaften für Technologien der nächsten Generation führen werden.