NUS-wetenschappers hebben ontdekt dat de lichtemissie-eigenschappen van moleculair dunne tweedimensionale (2-D) hybride perovskiet op een zeer omkeerbare manier kunnen worden afgestemd voor ultradunne opto-elektronische toepassingen. Er is een zeer efficiënte fotodetector gefabriceerd met hybride perovskieten met de dikte van een enkele kwantumput.

Gelaagde perovskieten zijn in oplossing verwerkbaar, goedkope materialen die kunnen worden gebruikt als fotodetectoren of lichtzenders. Het superieure vermogen van het perovskietkristal om licht met hoge efficiëntie te detecteren en uit te zenden, zal naar verwachting praktische toepassingen vinden op verschillende gebieden. Elke basiseenheid van een 2-D hybride perovskiet is geconstrueerd met behulp van een halfgeleidende laag van anorganisch materiaal, ingeklemd tussen twee organische isolatielagen. Terwijl onderzoekers de afgelopen dertig jaar gelaagde perovskieten in hun bulkvorm hebben bestudeerd, de eigenschappen van deze kristallen wanneer hun dikte wordt uitgedund tot een paar en enkele lagen zijn grotendeels niet onderzocht.

Een onderzoeksteam onder leiding van Prof Loh Kian Ping, van het departement scheikunde, NUS heeft ontdekt dat een moleculair dunne laag perovskiet op een zeer omkeerbare manier kan worden gespannen zonder permanente defecten aan het materiaal te veroorzaken die de lichtemissie-eigenschappen kunnen beïnvloeden. Ook, de emissie-eigenschappen van de perovskiet kunnen omkeerbaar worden afgestemd onder herhaalde spanningen. De onderzoekers bereikten dit door het oppervlak van de perovskiet in te kapselen met een dunne laag optisch transparant hexagonaal boornitride. Deze barrièrelaag vangt de organische moleculen op het oppervlak van de perovskietlaag op, voorkomen dat ze zelfs bij sterke laserstraling in de lucht ontsnappen.

Met behulp van een temperatuurgecontroleerde kristallisatiemethode, de onderzoekers synthetiseerden perovskiet-eenkristallen ter grootte van een centimeter van de Ruddlesden-Popper-fase (een vorm van gelaagde perovskietstructuur). Deze speciaal geprepareerde kristallen zijn veel groter dan de gebruikelijke micron-formaat en stelden het team in staat er dunne lagen van af te pellen met behulp van de "scotch tape"-methode (vergelijkbare methode die wordt gebruikt om grafeen uit grafiet te verkrijgen). Deze ultradunne kristallen werden vervolgens gebruikt voor de experimenten.

Prof Loh zei:"In tegenstelling tot bulkperovskieten waar de organische ketens van aangrenzende lagen verstrengeld en dicht opeengepakt zijn, de laag organische ketting op ultradunne perovskieten kan gemakkelijker "ontspannen" onder laser- of thermische activering. Dit "ontspannings"-proces verandert hun lichtemissie-eigenschappen. We ontdekten dat de lichtemissie terug kan keren naar zijn oorspronkelijke staat door het oppervlak van de ultradunne perovskietlaag te beperken ("ontspannen")."

"We hebben ook de atomaire structuur van deze perovskieten bestudeerd met behulp van de QPlus-atoomkrachtmicroscoop. Afhankelijk van de geleverde thermische energie, de organische lagen op het oppervlak kunnen de opto-elektronische eigenschappen van het kristal op een omkeerbare manier assembleren en veranderen. Dit zou potentieel kunnen worden gebruikt voor het ontwikkelen van spanningsafstembare opto-elektronische apparaten, " voegde prof. Loh toe.