הNanoplatelets באמצעות משקעים בסיוע לבני הליד לפני השטח
Summary
העבודה הזאת ממחישה את הטמפרטורה בטמפרטורת החדר של הקוונטים הקוונטית-מוגבלת מוביל הלידי פרוביסקיט nanoplatelets ידי ליגו-בסיוע שיטת משקעים מחדש. Nanoplatelets מסונתז להראות התכונות האופטיות הצר של הספקטרום ואת היכולת הספקטראלית רציפה לאורך טווח גלוי על ידי שינוי הקומפוזיציה ועוביים.
Abstract
בעבודה זו, אנו מדגימים שיטת הפעולה לnanoplatelet הקצה המוביל סינתזה הלידי הליד (נוסחה כימית: L2[abx3]n-1BX4, L: בוטילמוניום ו octylammonium, a: מתיונין או כיום, ב: עופרת, X: ברומיד ויודיד, n: מספר השכבות של [BX6]4- מישור שכבות בכיוון של עובי nanoplatelet) באמצעות ליגאט בסיוע משקעים. פתרונות בודדים פרוביסקיט מוכנים על ידי המסת כל מלח nanoplatelet המכוננת ב n, n-diמתיל (dmf), שהוא ממיס אורגני קוטבי, ולאחר מכן ערבוב של יחס מסוים nanoplatelet עובי וקומפוזיציה ממוקדת. לאחר הפתרון המקודמן מעורב צנח לתוך טולואן הקוטב, השינוי הפתאומי של מסיסות מעורר התגבשות מיידית של nanoplatelets עם פני השטח מאוגד אלמוניום הליד מספק יציבות קולאידית. פוטוטולמינטנציה וספקטרום הקליטה חושפים את התכונות המפוטמות ומאוד מוגבלים בקוואנטום. עקיפה לקרני רנטגן ומיקרוסקופ אלקטרוני שידור מאשרים את המבנה הדו של הnanoplatelets. יתר על כן, אנו מדגימים כי פער הלהקה של nanoplatelets פרוביסקיט יכול להיות מכוון ברציפות בטווח הגלוי על ידי שינוי סטויכיומטריה של הליד (s). לבסוף, אנו מדגימים את הגמישות של שיטת המשקעים מחדש בסיוע על ידי החדרת מינים מרובים כליידיים לפני השטח. מתודולוגיה זו מייצגת הליך פשוט להכנת הדיבולים של מוליכים למחצה קוליוגיים.
Introduction
בעשור האחרון, הייצור של מוביל בתאי שמש1,2,3,4,5,6 הדגיש ביעילות את המאפיינים המצוינים של זה חומר מוליך למחצה, כולל אורך דיפוזיה הובלה ארוכה7,8,9,10, מכלול היכולת4,5,11 וסינתזה בעלות נמוכה12. במיוחד, הטבע הייחודי של פגם סובלנות13,14 גורם להוביל הלידי perovskites שונה באופן מהותי ממוליכים למחצה אחרים, ובכך מבטיח מאוד עבור יישומים הדור הבא אלקטרואופטיקה.
בנוסף תאים סולאריים, עופרת perovskites הלידי הליד הוכחו להפוך מכשירים אלקטרואופטיקה מעולה כגון דיודות פולטות אור6,15,16,17,18, 19,20,21,22, לייזרים23,24,25, וגלאי פוטו26,27, . עשרים ושמונה במיוחד, כאשר הוכנו בצורה של הקולאוטרסטאלס18,29,30,31,32,33,34, 35,36,37,38,39,40,41,42,43, להוביל הלידי הליד עשויה להפגין הקוונטים חזקה-ו מדידות הכליאה, ההתרגשות הגדולה על כריכת אנרגיה44,45, ולומינציה בהירה17,19 יחד עם פתרון נתיישב מעבד. גאומטרים שונים שדווחו כולל נקודות קוואנטים29,30,31,32, nanorods33,34 ו nanoplatelets18, 35,36,37,38,39,40,41,43 עוד להדגים את הצורה tunability . של מוביל הליד הלידי
בין אלה nanocrystals, קולאידית דו מימדי (2D) להוביל perovskites או “perovskites nanoplatelets”, הם מבטיחים במיוחד עבור יישומים פולטות אור בשל הכליאה חזקה של נושאות המטען, מרגש גדול על האנרגיה המחייב להגיע עד מאות meV44, ו הפליטה הצר של הרכבים מעובי של nanoplatelets39. בנוסף, פליטת אנאיזוטרופי דיווחו על הננו-ממד של 2d perocrystals46 ו 2d אחרים מוליכים למחצה47,48 מדגיש את הפוטנציאל של ממקסם את היעילות outovskite מבוסס nanoplatelet מכשירים פולטות אור.
כאן, אנו מדגימים פרוטוקול לסינתזה פשוטה, אוניברסלית, טמפרטורת החדר של מוביל הלידי פרוביסקיט nanoplatelets באמצעות טכניקה משקעים מחדש בסיוע36,38,49. Perovskite nanoplatelets שילוב יודיד ו/או ברומיד הליד, מתיונין או מערך ההפריה אורגנית, וליגונים משתנה אורגני. הליכים לשליטה באנרגיה הספיגה והפליטה וטוהר העובי של הפיזור הקולאידית נדונים.
Protocol
Representative Results
Discussion
התוצר של סינתזה זו הוא הnanoplatelets המוביל הליד הלידי ההאלקוליום על ידי הליד הפנים ליגונמון (איור 1a). איור 1b מדגים את ההליך הסינתטי של nanoplatelets פרוביסקיט באמצעות ליגאט בסיוע משקעים. כדי לסכם, המלחים הקודמן הכולל היו מומס בתוך הממס DMF ממיסים ביחס ספציפי לעובי הרצוי…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת על ידי משרד האנרגיה של ארה ב, משרד המדע, בסיסי אנרגיה מדעי (בס) תחת מספר הפרס דה-SC0019345. Seung Kyun הייתה נתמכת באופן חלקי על ידי קרן החינוך קווג’אונג בחו ל מלגה לתואר שלישי. עבודה זו עשה שימוש ב-MRSEC משותף ניסיוני מתקנים ב-MIT, נתמך על ידי קרן המדע הלאומי תחת מספר הפרס DMR-08-19762. אנו מודים לאריק פאוורס לקבלת סיוע בהגהה ובעריכה.
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% |
References
- Kim, H. S., et al. Lead iodide perovskite sensitized all-solid-state submicron thin film mesoscopic solar cell with efficiency exceeding 9%. Scientific Reports. 2, 591 (2012).
- Zhou, H., et al. Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells. Science. 345 (6196), 542-546 (2014).
- Yang, W. S., et al. Iodide management in formamidinium-lead-halide–based perovskite layers for efficient solar cells. Science. 356 (6345), 1376-1379 (2017).
- Saliba, M., et al. Cesium-containing triple cation perovskite solar cells: improved stability, reproducibility and high efficiency. Energy & Environmental Science. 9 (6), 1989-1997 (2016).
- Jeon, N. J., et al. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature. 517 (7535), 476-480 (2015).
- Stranks, S. D., Snaith, H. J. Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices. Nature Nanotechnology. 10 (5), 391-402 (2015).
- Ma, L., et al. Carrier diffusion lengths of over 500 nm in lead-free perovskite CH3NH3SnI3 films. Journal of the American Chemical Society. 138 (44), 14750-14755 (2016).
- Dong, Q., et al. Electron-hole diffusion lengths> 175 μm in solution grown CH3NH3PbI3 single crystals. Science. 347 (6225), 967-970 (2015).
- Stranks, S. D., et al. Electron-Hole Diffusion Lengths Exceeding 1 Micrometer in an Organometal Trihalide Perovskite Absorber. Science. 342 (6156), 341-344 (2013).
- Shi, D., et al. Low trap-state density and long carrier diffusion in organolead trihalide perovskite single crystals. Science. 347 (6221), 519-522 (2015).
- McMeekin, D. P., et al. A mixed-cation lead mixed-halide perovskite absorber for tandem solar cells. Science. 351 (6269), 151-155 (2016).
- Saidaminov, M. I., et al. High-quality bulk hybrid perovskite single crystals within minutes by inverse temperature crystallization. Nature Communications. 6, 7586 (2015).
- Kovalenko, M. V., Protesescu, L., Bodnarchuk, M. I. Properties and potential optoelectronic applications of lead halide perovskite nanocrystals. Science. 358 (6364), 745-750 (2017).
- Akkerman, Q. A., Rainò, G., Kovalenko, M. V., Manna, L. Genesis, challenges and opportunities for colloidal lead halide perovskite nanocrystals. Nature Materials. 17, 394-405 (2018).
- Gangishetty, M. K., Hou, S., Quan, Q., Congreve, D. N. Reducing Architecture Limitations for Efficient Blue Perovskite Light-Emitting Diodes. Advanced Materials. 30 (20), 1706226 (2018).
- Congreve, D. N., et al. Tunable Light-Emitting Diodes Utilizing Quantum-Confined Layered Perovskite Emitters. ACS Photonics. 4 (3), 476-481 (2017).
- Kumar, S., et al. Ultrapure Green Light-Emitting Diodes Using Two-Dimensional Formamidinium Perovskites: Achieving Recommendation 2020 Color Coordinates. Nano Letters. 17 (9), 5277-5284 (2017).
- Kumar, S., et al. Efficient blue electroluminescence using quantum-confined two-dimensional perovskites. ACS Nano. 10 (10), 9720-9729 (2016).
- Pan, J., et al. Bidentate Ligand-Passivated CsPbI3 Perovskite Nanocrystals for Stable Near-Unity Photoluminescence Quantum Yield and Efficient Red Light-Emitting Diodes. Journal of the American Chemical Society. 140 (2), 562-565 (2018).
- Kim, Y. H., et al. Multicolored organic/inorganic hybrid perovskite light-emitting diodes. Advanced Materials. 27 (7), 1248-1254 (2015).
- Pan, J., et al. Highly Efficient Perovskite-Quantum-Dot Light-Emitting Diodes by Surface Engineering. Advanced Materials. 28 (39), 8718-8725 (2016).
- Tsai, H., et al. Stable Light-Emitting Diodes Using Phase-Pure Ruddlesden–Popper Layered Perovskites. Advanced Materials. 30 (6), 1704217 (2018).
- Sutherland, B. R., Hoogland, S., Adachi, M. M., Wong, C. T., Sargent, E. H. Conformal organohalide perovskites enable lasing on spherical resonators. ACS Nano. 8 (10), 10947-10952 (2014).
- Deschler, F., et al. High photoluminescence efficiency and optically pumped lasing in solution-processed mixed halide perovskite semiconductors. The Journal of Physical Chemistry Letters. 5 (8), 1421-1426 (2014).
- Zhu, H., et al. Lead halide perovskite nanowire lasers with low lasing thresholds and high quality factors. Nature Materials. 14 (6), 636-642 (2015).
- Fang, Y., Huang, J. Resolving weak light of sub-picowatt per square centimeter by hybrid perovskite photodetectors enabled by noise reduction. Advanced Materials. 27 (17), 2804-2810 (2015).
- Shen, L., et al. A Self-Powered, Sub-nanosecond-Response Solution-Processed Hybrid Perovskite Photodetector for Time-Resolved Photoluminescence-Lifetime Detection. Advanced Materials. 28 (48), 10794-10800 (2016).
- Dou, L., et al. Solution-processed hybrid perovskite photodetectors with high detectivity. Nature Communications. 5, 5404 (2014).
- Protesescu, L., et al. Nanocrystals of Cesium Lead Halide Perovskites (CsPbX(3), X = Cl, Br, and I): Novel Optoelectronic Materials Showing Bright Emission with Wide Color Gamut. Nano Letters. 15 (6), 3692-3696 (2015).
- Schmidt, L. C., et al. Nontemplate synthesis of CH3NH3PbBr3 perovskite nanoparticles. Journal of the American Chemical Society. 136 (3), 850-853 (2014).
- Imran, M., et al. Shape-Pure, Nearly Monodispersed CsPbBr3 Nanocubes Prepared Using Secondary Aliphatic Amines. Nano Letters. 18 (12), 7822-7831 (2018).
- Dong, Y., et al. Precise Control of Quantum Confinement in Cesium Lead Halide Perovskite Quantum Dots via Thermodynamic Equilibrium. Nano Letters. 18 (6), 3716-3722 (2018).
- Sun, S., Yuan, D., Xu, Y., Wang, A., Deng, Z. Ligand-mediated synthesis of shape-controlled cesium lead halide perovskite nanocrystals via reprecipitation process at room temperature. ACS Nano. 10 (3), 3648-3657 (2016).
- Zhang, D., Eaton, S. W., Yu, Y., Dou, L., Yang, P. Solution-phase synthesis of cesium lead halide perovskite nanowires. Journal of the American Chemical Society. 137 (29), 9230-9233 (2015).
- Weidman, M. C., Goodman, A. J., Tisdale, W. A. Colloidal halide perovskite nanoplatelets: An exciting new class of semiconductor nanomaterials. Chemistry of Materials. 29 (12), 5019-5030 (2017).
- Sichert, J. A., et al. Quantum Size Effect in Organometal Halide Perovskite Nanoplatelets. Nano Letters. 15 (10), 6521-6527 (2015).
- Bohn, B. J., et al. Boosting Tunable Blue Luminescence of Halide Perovskite Nanoplatelets through Postsynthetic Surface Trap Repair. Nano Letters. 18 (8), 5231-5238 (2018).
- Weidman, M. C., Seitz, M., Stranks, S. D., Tisdale, W. A. Highly Tunable Colloidal Perovskite Nanoplatelets Through Variable Cation, Metal, and Halide Composition. ACS Nano. 10 (8), 7830-7839 (2016).
- Bekenstein, Y., Koscher, B. A., Eaton, S. W., Yang, P., Alivisatos, A. P. Highly Luminescent Colloidal Nanoplates of Perovskite Cesium Lead Halide and Their Oriented Assemblies. Journal of the American Chemical Society. 137 (51), 16008-16011 (2015).
- Shamsi, J., et al. Colloidal synthesis of quantum confined single crystal CsPbBr3 nanosheets with lateral size control up to the micrometer range. Journal of the American Chemical Society. 138 (23), 7240-7243 (2016).
- Vybornyi, O., Yakunin, S., Kovalenko, M. V. Polar-solvent-free colloidal synthesis of highly luminescent alkylammonium lead halide perovskite nanocrystals. Nanoscale. 8 (12), 6278-6283 (2016).
- Huang, H., et al. Colloidal lead halide perovskite nanocrystals: synthesis, optical properties and applications. NPG Asia Materials. 8 (11), e328 (2016).
- Tyagi, P., Arveson, S. M., Tisdale, W. A. Colloidal Organohalide Perovskite Nanoplatelets Exhibiting Quantum Confinement. J Phys Chem Lett. 6 (10), 1911-1916 (2015).
- Saidaminov, M. I., Mohammed, O. F., Bakr, O. M. Low-Dimensional-Networked Metal Halide Perovskites: The Next Big Thing. ACS Energy Letters. 2 (4), 889-896 (2017).
- Zheng, K., et al. Exciton binding energy and the nature of emissive states in organometal halide perovskites. The Journal of Physical Chemistry Letters. 6 (15), 2969-2975 (2015).
- Jurow, M. J., et al. Manipulating the Transition Dipole Moment of CsPbBr3 Perovskite Nanocrystals for Superior Optical Properties. Nano Letters. , (2019).
- Gao, Y., Weidman, M. C., Tisdale, W. A. CdSe Nanoplatelet Films with Controlled Orientation of their Transition Dipole Moment. Nano Letters. 17 (6), 3837-3843 (2017).
- Schuller, J. A., et al. Orientation of luminescent excitons in layered nanomaterials. Nature Nanotechnology. 8 (4), 271-276 (2013).
- Ha, S. K., Mauck, C. M., Tisdale, W. A. Towards Stable Deep-Blue Luminescent Colloidal Lead Halide Perovskite Nanoplatelets: Systematic Photostability Investigation. Chemistry of Materials. 31 (7), 2486-2496 (2019).
- Paritmongkol, W., Dahod, N., Mao, N., Zheng, S. L., Tisdale, W. Synthetic Variation and Structural Trends in Layered Two-Dimensional Alkylammonium Lead Halide Perovskites. ChemRxiv. , (2019).
- Stoumpos, C. C., et al. Ruddlesden–Popper hybrid lead iodide perovskite 2D homologous semiconductors. Chemistry of Materials. 28 (8), 2852-2867 (2016).
- Akkerman, Q. A., et al. Solution Synthesis Approach to Colloidal Cesium Lead Halide Perovskite Nanoplatelets with Monolayer-Level Thickness Control. Journal of the American Chemical Society. 138 (3), 1010-1016 (2016).
- Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells. Journal of the American Chemical Society. 131 (17), 6050-6051 (2009).
- Bischak, C. G., et al. Origin of reversible photoinduced phase separation in hybrid perovskites. Nano Letters. 17 (2), 1028-1033 (2017).
- Mauck, C. M., Tisdale, W. A. Excitons in 2D Organic–Inorganic Halide Perovskites. Trends in Chemistry. , (2019).
- Gong, X., et al. Electron-phonon interaction in efficient perovskite blue emitters. Nat. Mater. 17 (6), 550-556 (2018).
