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Quimica

Synthèse facile des nanoplaquettes de plomb colloïdal Halide Perovskite via La précipitation assistée par Ligand

Published: October 01, 2019
doi:
10.3791/60114
,
1Department of Chemical Engineering,Massachusetts Institute of Technology

Summary

Ce travail démontre la synthèse facile de la température ambiante des nanoplaquettes de perovskite d’halogénure de perovskite colloïdale quantum-confined par la méthode de reprécipitation ligand-assistée. Les nanoplaquettes synthétisées présentent des caractéristiques optiques spectralement étroites et une tunabilité spectrale continue dans toute la gamme visible en variant la composition et les épaisseurs.

Abstract

Dans ce travail, nous démontrons une méthode facile pour la synthèse colloïdale d’halogénure de plomb perovskite de nanoplaquet (Formule chimique : L2[ABX3]n-1BX4, L : butylammonium et octylammonium, A : méthylammonium ou formamidinium, B: plomb, X: bromure et iodure, n: nombre de [BX6]4- couches octaèdres dans le sens de l’épaisseur des nanoplaquettes) via la reprécipitation assistée par ligand. Les solutions individuelles de précurseurs perovskites sont préparées en dissolvant chaque sel constituant nanoplaquettaire dans N,N-dimethylformamide (DMF), qui est un solvant organique polaire, puis en mélangeant des ratios spécifiques pour l’épaisseur et la composition ciblées de nanoplaquette. Une fois que la solution de précurseur mélangéest est larguée dans le toluène non polaire, le changement brusque dans la solubilité induit la cristallisation instantanée des nanoplaquettes avec des ligands d’halogénure d’alkylammonium liés à la surface fournissant une stabilité colloïdale. Les spectres de photoluminescence et d’absorption révèlent des caractéristiques émissives et fortement confinées au quantum. La diffraction des rayons X et la microscopie électronique de transmission confirment la structure bidimensionnelle des nanoplaquettes. En outre, nous démontrons que l’écart de bande des nanoplaquettes perovskite peut être continuellement accordé dans la gamme visible en variant la stoichiométrie de l’ion d’halogénure(s). Enfin, nous démontrons la flexibilité de la méthode de reprécipitation assistée par ligand en introduisant plusieurs espèces comme ligands de plafonnement de surface. Cette méthodologie représente une procédure simple pour la préparation des dispersions des semi-conducteurs colloïdaux 2D emissives.

Introduction

Au cours de la dernière décennie, la fabrication de l’halogénure de plomb perovskites cellules solaires1,2,3,4,5,6 a effectivement mis en évidence les excellentes propriétés de cette matériau semi-conducteur, y compris les longues longueurs de diffusion du support7,8,9,10, tunability compositionnelle4,5,11 et la synthèse à faible coût12. En particulier, la nature unique de la tolérance aux défauts13,14 rend les perovskites d’halogénure de plomb fondamentalement différents des autres semi-conducteurs et donc très prometteurs pour les applications optoélectroniques de prochaine génération.

En plus des cellules solaires, perovskites d’halogénure de plomb ont été montrés pour faire d’excellents dispositifs optoélectroniques tels que les diodes électroluminescentes6,15,16,17,18, 19,20,21,22, lasers23,24,25, et les photodétecteurs26,27, 28. Surtout, lorsqu’il est préparé sous la forme de nanocristaux colloïdal18,29,30,31,32,33,34, 35,36,37,38,39,40,41,42,43, plomb les perovskites d’halogénure peuvent présenter le quantum- et le dielectric-confinement fort, l’énergie de liaison d’exciton grande44,45, et la luminescence lumineuse17,19 avec la solution facile processabilité. Diverses géométries signalées, y compris les points quantiques29,30,31,32, nanorods33,34 et nanoplatelets18, 35,36,37,38,39,40,41,43 encore démontrer la tunability forme des nanocristaux perovskite d’halogénure de plomb.

Parmi ces nanocristaux, les perovskites d’halogénure de plomb bidimensionnels (2D) colloïdales, ou « nanoplaquettes de perovskite », sont particulièrement prometteurs pour les applications émettant de la lumière en raison de l’enfermement fort des porteurs de charge, de l’énergie de liaison d’exciton grande atteignant jusqu’à des centaines de meV44, et les émissions spectralement étroites des ensembles d’épaisseur pure des nanoplaquettes39. En outre, l’émission anisotropique signalée pour les nanocristaux perovskite2D 46 et d’autres semi-conducteurs 2D47,48 met en évidence le potentiel de maximiser l’efficacité de découplage de perovskite nanoplaquet à base d’émettant de la lumière.

Ici, nous démontrons un protocole pour la synthèse simple, universelle, de température ambiante des nanoplaquettes colloïdales d’halogénure de plomb perovskite par l’intermédiaire d’une technique de reprécipitation ligand-assistée36,38,49. Les nanoplaquetlets de perovskite incorporant des anions d’halogénure d’iodure et/ou de bromure, des cations organiques de méthylammonium ou de formamidinium, et des ligands organiques variables de surface sont démontrés. Les procédures de contrôle de l’énergie d’absorption et d’émission et la pureté de l’épaisseur de la dispersion colloïdale sont discutées.

Protocol

REMARQUE : Des notations plus simples de ‘n ‘1 BX’ et’n ‘2 ABX’ seront utilisées à partir d’ici au lieu de la formule chimique complexe de L2BX4 et L2[ABX3]BX4, respectivement. Pour une meilleure stabilité et les propriétés optiques des nanoplaquettes de perovskite résultantes, il est recommandé de compléter l’ensemble de la procédure dans des conditions inertes49 (c.-à-d., une boîte à gants à azote). <p clas…

Representative Results

L’illustration schématique des nanoplaquettes perovskites et de la procédure de synthèse donne un aperçu du matériau et des détails synthétiques (Figure 1). Les images des solutions de nanoplaquet perovskite colloïdale sous la lumière ambiante et UV (Figure 2), combinées aux spectres de photoluminescence et d’absorption (Figure 3) confirment encore la nature émissive et absorptive des nanoplaquettes. Les images TEM (<stro…

Discussion

Le produit de cette synthèse est des nanoplaquettes d’halogénure colloïdale plafonnées par des ligands de surface d’halogénure d’alkylammonium (figure 1a). La figure 1b démontre la procédure synthétique des nanoplaquettes perovskites colloïdales par reprécipitation ligand-assistée. En résumé, les sels précurseurs constitutifs ont été dissous dans un Solvant polaire DMF en ratios spécifiques pour l’épaisseur et la composition désirées, puis in…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par le Département de l’énergie des États-Unis, office of Science, Basic Energy Sciences (BES) sous le numéro de prix DE-SC0019345. Seung Kyun Ha a été partiellement soutenu par la Kwanjeong Education Foundation Overseas Doctoral Program Scholarship. Ce travail a fait usage des installations expérimentales partagées du MRSEC au MIT, avec l’appui de la National Science Foundation sous le numéro d’attribution DMR-08-19762. Nous remercions Eric Powers pour son aide en matière d’épreuvage et d’édition.

Materials

Equipment
365nm fiber-coupled LED Thorlabs M365FP1 Excitation source (Photoluminescence)
Avantes fiber-optic spectrometer Avantes AvaSpec-2048XL Photoluminescence detector (Photoluminescence spectra)
Cary 5000 Agilent Technologies UV-Vis spectrophotometer (Absorption spectra)
FEI Tecnai G2 Spirit Twin TEM FEI Company Transmission electron microscopy (TEM) operating at 120kV
PANalytical X'Pert Pro MPD Malvern Panalytical X-ray diffraction (XRD) operating at 45 kV and 40 mA with a copper radiation source.
Materials
n-butylammonium bromide (BABr) GreatCell Solar MS305000-50G
n-butylammonium chloride (BACl) Fisher Scientific B071025G butylamine hydrochloride
n-butylammonium iodide (BAI) Sigma-Aldrich 805874-25G
N,N-dimethylforamide (DMF) Sigma-Aldrich 227056-1L Anhydrous, 99.8%
n-dodecylammonium bromide (DDABr) GreatCell Solar MS300880-05
formamidinium bromide (FABr) GreatCell Solar MS350000-100G
formamidinium iodide (FAI) GreatCell Solar MS150000-100G
n-hexylammonium bromide (HABr) GreatCell Solar MS300860-05
lead bromide (PbBr2) Sigma-Aldrich 398853-5G .99.999%
lead chloride (PbCl2) Sigma-Aldrich 268-690-5G 98%
lead iodide (PbI2) solution Sigma-Aldrich 795550-10ML 0.55M in DMF
methylammonium bromide (MABr) GreatCell Solar MS301000-100G
methylammonium iodide (MAI) GreatCell Solar MS101000-100G
n-octylammonium bromide (OABr) GreatCell Solar MS305500-50G
n-octylammonium chloride (OACl) Fisher Scientific O04841G octylamine hydrochloride
n-octylammonium iodide (OAI) GreatCell Solar MS105500-50G
iso-pentylammonium bromide (i-PABr) GreatCell Solar MS300710-05
toluene Sigma-Aldrich 244511-1L Anhydrous, 99.8%
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Ha, S. K., Tisdale, W. A. Facile Synthesis of Colloidal Lead Halide Perovskite Nanoplatelets via Ligand-Assisted Reprecipitation. J. Vis. Exp. (152), e60114, doi:10.3791/60114 (2019).
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