JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Türkçe

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

Ligand Destekli Reyağış ile Kolloidal Kurşun Halide Perovskite Nanoplatelets Kolay Sentezi

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

Summary

Bu çalışma, ligand destekli reyağış yöntemi ile kolloidal kuantum sınırlı kurşun halide perovskite nanoplatelets kolay oda sıcaklığı sentezini göstermektedir. Sentezlenmiş nanoplatelets bileşim ve kalınlıkları değiştirerek görünür aralık boyunca spectrally dar optik özellikleri ve sürekli spektral ayar gösterir.

Abstract

Bu çalışmada kolloidal kurşun halide perovskit nanoplatelet sentezi (Kimyasal formül: L2[ABX3]n-1BX4, L: butylamonyum ve okylammonyum, A: methylammonium veya formamidinium, B: kurşun, X: bromür ve iyodür, n: [BX6]4- nanoplatelet kalınlığı yönünde sekizyüzlü tabakaların sayısı) ligand destekli reyağış ile. Bireysel perovskit öncül çözeltileri, polar organik bir çözücü olan N,N-dimethylformamide (DMF) her nanoplatelet bileşen tuzu eritilerek ve hedeflenen nanoplatelet kalınlığı ve bileşimi için belirli oranlarda karıştırılarak hazırlanır. Karışık öncül çözeltipolar olmayan tolüen düştükten sonra, çözünürlükteki ani değişim, nanoplatelets’in yüzeye bağlı alkylammonium halide ligandlarla anında kristalleşmesine neden olur ve kolloidal stabilite sağlar. Fotolüminesans ve emme spektrumları emissive ve güçlü kuantum sınırlı özellikleri ortaya koymaktadır. X-ışını kırınımı ve iletim elektron mikroskobu nanoplatelets iki boyutlu yapısını doğrular. Ayrıca, perovskit nanoplateletlerin bant boşluğunun, halide iyon(lar)ın stokiyometrisini değiştirerek görünür aralıkta sürekli olarak ayarlanabileceğini göstermiş oluruz. Son olarak, birden fazla türü yüzey kaplayan ligandlar olarak tanıtarak ligand destekli reyağış yönteminin esnekliğini gösteriyoruz. Bu metodoloji, 2D kolloidal yarı iletkenlerin dağılımlarını hazırlamak için basit bir prosedürü temsil eder.

Introduction

Son on yılda, kurşun halide perovskitsgüneş pilleri1,2,3,4,5,6 imalatı etkili bu mükemmel özellikleri vurgulamıştır uzun taşıyıcı difüzyon uzunlukları7,8,9,10, bileşimsel tunability4,5,11 dahil olmak üzere yarı iletken malzeme ve düşük maliyetli sentez12. Özellikle, kusur toleransı13,14 benzersiz doğası kurşun halide perovskitler temelde diğer yarı iletkenler farklı ve böylece son derece yeni nesil optoelektronik uygulamalar için umut verici hale getirir.

Güneş pilleri ek olarak, kurşun halide perovskitler ışık yayan diyotlar 6,15,16,17,18 gibi mükemmel optoelektronik cihazlar yapmak için gösterilmiştir 19,20,21,22, lazerler23,24,25, ve fotodedektörler26,27, 28. yıl. Özellikle, kolloidal nanokristaller şeklinde hazırlandığında18,29,30,31,32,33,34, 35,36,37,38,39,40,41,42,43, kurşun halide perovskitler güçlü kuantum ve dielektrik hapsi, büyük eksitiron bağlama enerjisi44,45, ve parlak parlaklık17,19 kolay çözeltisi ile birlikte sergileyebilir işlenebilirlik. Kuantum noktalar29,30,31,32,nanorods33,34 ve nanoplatelets18dahil olmak üzere çeşitli rapor geometriler, 35,36,37,38,39,40,41,43 daha fazla şekil alabilme göstermek kurşun halide perovskite nanokristaller.

Bu nanokristaller arasında, kolloidal iki boyutlu (2D) kurşun halide perovskitler veya “perovskite nanoplatelets”, özellikle şarj taşıyıcılarının güçlü bir şekilde hapsedilmesi, büyük eksitiron bağlama enerjisinin ulaşması nedeniyle ışık yayan uygulamalar için umut vericidir. kadar yüzlerce meV44, ve nanoplatelets kalınlığı saf topluluklardan spectrally dar emisyon39. Ayrıca, 2D perovskit nanokristaller46 ve diğer 2D yarı iletkenler47,48 için bildirilen anizotropik emisyon, perovskit nanoplatelet tabanlı dışbirleştirme verimliliğini en üst düzeye çıkarma potansiyelini vurgular ışık yayan cihazlar.

Burada, bir ligand destekli reyağış tekniği36,38,49ile kolloidal kurşun halide perovskit nanoplatelets basit,evrensel,oda sıcaklığında sentezi için bir protokol göstermektedir. İyodür ve/veya bromür halid anyonları, metilamonyum veya formamidinyum organik katyonları ve değişken organik yüzey ligandlarını içeren perovskit nanoplateletler gösterilmiştir. Emilim ve emisyon enerjisini ve kolloidal dağılım kalınlığının kontrol altına alınmasına yönelik prosedürler tartışılmıştır.

Protocol

NOT: L2BX4 ve L2[ABX3]BX4) karmaşık kimyasal formülü yerine buradan ‘n = 1 BX’ ve ‘n = 2 ABX’ basit gösterimleri kullanılacaktır. Daha iyi stabilite ve elde edilen perovskit nanoplatelets optik özellikleri için, tüm prosedürü inert koşullar altında tamamlamak için tavsiye edilir49 (yani, bir azot glovebox). 1. Perovskit nanoplatelet öncül çözeltisinin hazırlanması Haz…

Representative Results

Perovskit nanoplatelets ve sentez prosedürü şematik illüstrasyon malzeme ve sentetik ayrıntıları genel bir bakış verir(Şekil 1). Ortam ışığı ve UV altında kolloidal perovskit nanoplatelet solüsyon resimleri(Şekil 2),fotolüminesans ve soğurma spektrumları ile birlikte (Şekil 3) daha nanoplatelets emissive ve absorptive doğasını doğrular. TEM görüntüleri (Şekil 4) ve XRD dese…

Discussion

Bu sentezin ürünü alkylammonium halide yüzey ligandları ile kapatılan kolloidal kurşun halide nanoplatelets ‘tir (Şekil 1a). Şekil 1b, ligand destekli reyağış yoluyla kolloidal perovskit nanoplateletlerin sentetik prosedürünü göstermektedir. Özetlemek gerekirse, kurucu öncül tuzlar istenilen kalınlık ve bileşim için belirli oranlarda bir polar çözücü DMF içinde çözülmüş ve daha sonra toluen içine enjekte edildi, hangi nonpolar. …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma, DE-SC0019345 ödül numarası ile ABD Enerji Bakanlığı, Bilim, Temel Enerji Bilimleri Ofisi (BES) tarafından desteklenmiştir. Seung Kyun Ha kısmen Kwanjeong Eğitim Vakfı Yurtdışı Doktora Programı Bursu tarafından desteklendi. Bu çalışma, Ulusal Bilim Vakfı tarafından DMR-08-19762 ödül numarası altında desteklenen MIT’deki MRSEC Ortak Deneysel Tesisleri’nden yararlanmıştır. Biz prova ve düzenleme ile yardım için Eric Powers teşekkür ederiz.

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%
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Zhou, H., et al. Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells. Science. 345 (6196), 542-546 (2014).
  3. Yang, W. S., et al. Iodide management in formamidinium-lead-halide–based perovskite layers for efficient solar cells. Science. 356 (6345), 1376-1379 (2017).
  4. 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).
  5. Jeon, N. J., et al. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature. 517 (7535), 476-480 (2015).
  6. Stranks, S. D., Snaith, H. J. Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices. Nature Nanotechnology. 10 (5), 391-402 (2015).
  7. 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).
  8. Dong, Q., et al. Electron-hole diffusion lengths> 175 μm in solution grown CH3NH3PbI3 single crystals. Science. 347 (6225), 967-970 (2015).
  9. Stranks, S. D., et al. Electron-Hole Diffusion Lengths Exceeding 1 Micrometer in an Organometal Trihalide Perovskite Absorber. Science. 342 (6156), 341-344 (2013).
  10. Shi, D., et al. Low trap-state density and long carrier diffusion in organolead trihalide perovskite single crystals. Science. 347 (6221), 519-522 (2015).
  11. McMeekin, D. P., et al. A mixed-cation lead mixed-halide perovskite absorber for tandem solar cells. Science. 351 (6269), 151-155 (2016).
  12. Saidaminov, M. I., et al. High-quality bulk hybrid perovskite single crystals within minutes by inverse temperature crystallization. Nature Communications. 6, 7586 (2015).
  13. Kovalenko, M. V., Protesescu, L., Bodnarchuk, M. I. Properties and potential optoelectronic applications of lead halide perovskite nanocrystals. Science. 358 (6364), 745-750 (2017).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Congreve, D. N., et al. Tunable Light-Emitting Diodes Utilizing Quantum-Confined Layered Perovskite Emitters. ACS Photonics. 4 (3), 476-481 (2017).
  17. 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).
  18. Kumar, S., et al. Efficient blue electroluminescence using quantum-confined two-dimensional perovskites. ACS Nano. 10 (10), 9720-9729 (2016).
  19. 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).
  20. Kim, Y. H., et al. Multicolored organic/inorganic hybrid perovskite light-emitting diodes. Advanced Materials. 27 (7), 1248-1254 (2015).
  21. Pan, J., et al. Highly Efficient Perovskite-Quantum-Dot Light-Emitting Diodes by Surface Engineering. Advanced Materials. 28 (39), 8718-8725 (2016).
  22. Tsai, H., et al. Stable Light-Emitting Diodes Using Phase-Pure Ruddlesden–Popper Layered Perovskites. Advanced Materials. 30 (6), 1704217 (2018).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Zhu, H., et al. Lead halide perovskite nanowire lasers with low lasing thresholds and high quality factors. Nature Materials. 14 (6), 636-642 (2015).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Dou, L., et al. Solution-processed hybrid perovskite photodetectors with high detectivity. Nature Communications. 5, 5404 (2014).
  29. 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).
  30. Schmidt, L. C., et al. Nontemplate synthesis of CH3NH3PbBr3 perovskite nanoparticles. Journal of the American Chemical Society. 136 (3), 850-853 (2014).
  31. Imran, M., et al. Shape-Pure, Nearly Monodispersed CsPbBr3 Nanocubes Prepared Using Secondary Aliphatic Amines. Nano Letters. 18 (12), 7822-7831 (2018).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. Sichert, J. A., et al. Quantum Size Effect in Organometal Halide Perovskite Nanoplatelets. Nano Letters. 15 (10), 6521-6527 (2015).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. Huang, H., et al. Colloidal lead halide perovskite nanocrystals: synthesis, optical properties and applications. NPG Asia Materials. 8 (11), e328 (2016).
  43. Tyagi, P., Arveson, S. M., Tisdale, W. A. Colloidal Organohalide Perovskite Nanoplatelets Exhibiting Quantum Confinement. J Phys Chem Lett. 6 (10), 1911-1916 (2015).
  44. 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).
  45. 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).
  46. Jurow, M. J., et al. Manipulating the Transition Dipole Moment of CsPbBr3 Perovskite Nanocrystals for Superior Optical Properties. Nano Letters. , (2019).
  47. 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).
  48. Schuller, J. A., et al. Orientation of luminescent excitons in layered nanomaterials. Nature Nanotechnology. 8 (4), 271-276 (2013).
  49. 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).
  50. 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).
  51. Stoumpos, C. C., et al. Ruddlesden–Popper hybrid lead iodide perovskite 2D homologous semiconductors. Chemistry of Materials. 28 (8), 2852-2867 (2016).
  52. 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).
  53. 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).
  54. Bischak, C. G., et al. Origin of reversible photoinduced phase separation in hybrid perovskites. Nano Letters. 17 (2), 1028-1033 (2017).
  55. Mauck, C. M., Tisdale, W. A. Excitons in 2D Organic–Inorganic Halide Perovskites. Trends in Chemistry. , (2019).
  56. Gong, X., et al. Electron-phonon interaction in efficient perovskite blue emitters. Nat. Mater. 17 (6), 550-556 (2018).

Tags

Colloidal Lead Halide Perovskite NanoplateletsLigand-assisted ReprecipitationRoom Temperature SynthesisCompositional FlexibilityMethylammonium Lead BromideMethylammonium Lead IodideMixed Halide CompositionsPhotoluminescenceAbsorption SpectraTransmission Electron MicroscopyX-ray Diffraction

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image