Hybride organisch-anorganische perovskieten hebben veel aandacht gekregen als potentiële volgende generatie zonnecellen en als materialen voor lichtgevende apparaten.

Kobe University's universitair hoofddocent Tachikawa Takashi (van het Molecular Photoscience Research Center) en Dr. Karimata Izuru (voorheen een afgestudeerde student die onderzoek deed aan de Graduate School of Science) zijn erin geslaagd de halogenide-ionen van perovskiet-nanokristallen volledig te vervangen met behoud van hun morfologie en lichtgevende efficiëntie.

Verder, door gebruik te maken van technieken zoals fotoluminescentiebeeldvorming met één deeltje, de onderzoekers waren in staat om de tijdelijke veranderingen in lichtemissie en de kristalstructuur te begrijpen, wat hen op hun beurt in staat stelde een principe te ontwikkelen voor het regelen van de ionensamenstelling.

Verwacht wordt dat deze onderzoeksresultaten zullen bijdragen aan het mogelijk maken van de synthese van perovskieten van verschillende samenstellingen en het bevorderen van de ontwikkeling van apparaten die ze gebruiken. In aanvulling, het is te hopen dat de flexibiliteit van perovskietstructuren kan worden benut, waardoor ze kunnen worden toegepast op apparaten en het creëren van nieuwe functionele materialen.

Deze bevindingen zijn gepubliceerd in het Duitse academische tijdschrift Internationale editie van Angewandte Chemie op 19 oktober, 2020.

Hybride organisch-anorganische perovskieten, zoals organische loodhalogenideperovskieten (bijvoorbeeld CH ₃ NH ₃ PBX ₃ (X =Cl, Br, L)), hebben wereldwijd aandacht gekregen als veelbelovend materiaal voor zeer efficiënte zonnecellen. Verder, de kleur van het licht dat ze uitstralen kan worden geregeld door het type en de samenstelling van de halogenide-ionen te veranderen. Bijgevolg, het is te hopen dat hybride organisch-anorganische perovskieten kunnen worden toegepast op lichtemitterende apparaten zoals displays en lasers.

Echter, het is bekend dat de halogenide-ionen in de kristallen zelfs bij kamertemperatuur bewegen, en deze hoge flexibiliteit veroorzaakt problemen zoals reducties in zowel de reproduceerbaarheid van de synthese als de duurzaamheid van het apparaat.

In dit onderzoek, gebruikten de onderzoekers een op maat gemaakte stromingsreactor om de uitwisselingsreactie tussen de CH . nauwkeurig te regelen ₃ NH ₃ PbI ₃ nanokristallen en Br ^- ionen in oplossing. Hierdoor konden ze de nanokristallen met succes omzetten in CH ₃ NH ₃ PbBr ₃ nanokristallen met behoud van hun morfologie en lichtemitterende efficiëntie.

Het is belangrijk om te weten wat voor soort reactie er in de kristallen zal plaatsvinden om synthesetechnieken te ontwikkelen. Om dit te begrijpen, de onderzoekers gebruikten een fluorescentiemicroscoop om te observeren hoe elk afzonderlijk nanokristal reageerde. Uit deze observatie, ze begrepen dat zodra het rode licht van de CH ₃ NH ₃ PbI ₃ was helemaal verdwenen, het groene licht afkomstig van de CH ₃ NH ₃ PbBr ₃ werd plotseling gegenereerd na een interval van 10s tot 100s van seconden. Op basis van de resultaten van structurele analyse met behulp van een röntgenstraal, werd onthuld dat Br ^- ionen vervangen I ^- ionen in de kristalstructuur terwijl zich op het oppervlak een bromiderijke laag vormde. Daarna, het bromide op de oppervlaktelaag verplaatste zich geleidelijk naar de binnengebieden.

Er wordt aangenomen dat de emissie van rood licht onwaarneembaar werd omdat de binnenste gebieden van de kristalstructuur gedeeltelijk ontregeld waren tijdens de ionenovergang, wat leidde tot het verlies van energie die nodig is voor lichtemissie. Vervolgens, CH ₃ NH ₃ PbBr ₃ kristalkernen gevormd in het nanokristaldeeltje en een coöperatieve overgang naar de groen licht genererende toestand vond plaats.

Uit deze resultaten blijkt it can be said that temporally separating the crystal structure transitions and the subsequent restructuring (that occurs on a nanometer scale) is one of the keys to the successful, precise synthesis of organic lead halide perovskites.

The structural transformation process observed in perovskite nanocrystals in this study is thought to be related to all modes of nanomaterial synthesis that are based on ion exchange, therefore future research could hopefully illuminate the underlying mechanism. Although researchers have a negative impression of organic halide perovskites' flexibility, it is hoped that this characteristic could be exploited and applied to the development of new materials and devices that can react to the environment and external stimuli.