Onderzoekers van Duke University hebben lang verborgen moleculaire dynamica onthuld die wenselijke eigenschappen biedt voor zonne-energie en warmte-energietoepassingen voor een opwindende klasse van materialen die halide-perovskieten worden genoemd.

Een belangrijke bijdrage aan hoe deze materialen elektriciteit creëren en transporteren, hangt letterlijk af van de manier waarop hun atoomrooster op een scharnierachtige manier draait en draait. De resultaten zullen materiaalwetenschappers helpen bij hun zoektocht om de chemische recepten van deze materialen op een milieuvriendelijke manier af te stemmen op een breed scala aan toepassingen.

De resultaten verschijnen op 15 maart online in het tijdschrift Natuurmaterialen .

"Er is een brede interesse in halideperovskieten voor energietoepassingen zoals fotovoltaïsche, thermo-elektriciteit, opto-elektronische stralingsdetectie en emissie - het hele veld is ongelooflijk actief, " zei Olivier Delaire, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Duke. "Hoewel we begrijpen dat de zachtheid van deze materialen belangrijk is voor hun elektronische eigenschappen, niemand wist echt hoe de atomaire bewegingen die we hebben ontdekt deze kenmerken ondersteunen."

Perovskieten zijn een klasse van materialen die - met de juiste combinatie van elementen - worden uitgegroeid tot een kristallijne structuur die ze bijzonder geschikt maakt voor energietoepassingen. Hun vermogen om licht te absorberen en de energie ervan efficiënt over te dragen, maakt ze een gemeenschappelijk doelwit voor onderzoekers die nieuwe soorten zonnecellen ontwikkelen, bijvoorbeeld. Ze zijn ook zacht een beetje zoals hoe massief goud gemakkelijk kan worden ingedeukt, waardoor ze het vermogen hebben om defecten te tolereren en barsten te voorkomen wanneer ze tot een dunne film worden gemaakt.

Een maat, echter, past niet allemaal, omdat er een breed scala aan potentiële recepten is die een perovskiet kunnen vormen. Veel van de eenvoudigste en meest bestudeerde recepten bevatten een halogeen, zoals chloor, fluor of broom, waardoor ze de naam halide perovskieten kregen. In de kristallijne structuur van perovskieten, deze halogeniden zijn de verbindingen die aangrenzende octaëdrische kristalmotieven aan elkaar binden.

Hoewel onderzoekers wisten dat deze scharnierpunten essentieel zijn voor het creëren van de eigenschappen van een perovskiet, niemand heeft kunnen kijken naar de manier waarop ze de structuren om hen heen dynamisch laten draaien, draaien en buigen zonder te breken, als een Jell-O-mal die krachtig wordt geschud.

"Deze structurele bewegingen zijn notoir moeilijk experimenteel vast te stellen. De techniek bij uitstek is neutronenverstrooiing, die gepaard gaat met enorme inspanningen op het gebied van instrument- en gegevensanalyse, en er zijn maar weinig groepen die de techniek beheersen die Olivier en zijn collega's doen, zei Volker Blum, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Duke die theoretische modellering van perovskieten doet, maar was niet betrokken bij dit onderzoek. "Dit betekent dat ze in staat zijn om de onderbouwing van de materiaaleigenschappen in basale perovskieten te onthullen die anders onbereikbaar zijn."

In de studie, Delaire en collega's van het Argonne National Laboratory, Oak Ridge Nationaal Laboratorium, het Nationaal Instituut voor Standaarden en Technologie, en Northwestern University, onthullen belangrijke moleculaire dynamica van de structureel eenvoudige, algemeen onderzocht halide perovskiet (CsPbBr ₃ ) Voor de eerste keer.

De onderzoekers begonnen met een grote, centimeter-schaal, eenkristal van het halide perovskiet, die notoir moeilijk is om tot dergelijke omvang te groeien - een belangrijke reden waarom dit soort dynamische studie tot nu toe niet is bereikt. Vervolgens bestormden ze het kristal met neutronen in het Oak Ridge National Laboratory en röntgenstralen in het Argonne National Laboratory. Door te meten hoe de neutronen en röntgenstralen onder vele hoeken en met verschillende tijdsintervallen van de kristallen kaatsten, de onderzoekers plaagden uit hoe de samenstellende atomen in de loop van de tijd bewogen.

Na bevestiging van hun interpretatie van de metingen met computersimulaties, de onderzoekers ontdekten hoe actief het kristallijnen netwerk eigenlijk is. Achtzijdige octaëdrische motieven die door broomatomen aan elkaar waren bevestigd, werden gevangen genomen terwijl ze collectief in plaatachtige domeinen draaien en constant heen en weer buigen op een zeer vloeiende manier.

"Vanwege de manier waarop de atomen zijn gerangschikt met octaëdrische motieven die broomatomen als gewrichten delen, ze zijn vrij om deze rotaties en bochten te hebben, " zei Delaire. "Maar we ontdekten dat vooral deze halide perovskieten veel 'floppy' zijn dan sommige andere recepten. In plaats van meteen weer in vorm te komen, ze keren heel langzaam terug, bijna meer als Jell-O of een vloeistof dan een conventioneel vast kristal."

Delaire legde uit dat dit vrijgevochten moleculaire dansen belangrijk is om veel van de gewenste eigenschappen van halide-perovskieten te begrijpen. Hun 'floppiness' voorkomt dat elektronen recombineren in de gaten waar de binnenkomende fotonen ze uit sloegen, waardoor ze veel elektriciteit uit zonlicht kunnen halen. En het maakt het waarschijnlijk ook moeilijk voor warmte-energie om door de kristallijne structuur te reizen, waardoor ze elektriciteit uit warmte kunnen maken door de ene kant van het materiaal veel heter te hebben dan de andere.

Omdat de perovskiet die in het onderzoek werd gebruikt - CsPbBr ₃ -heeft een van de eenvoudigste recepten, maar bevat al de structurele kenmerken die de brede familie van deze verbindingen gemeen hebben, Delaire is van mening dat deze bevindingen waarschijnlijk van toepassing zijn op een groot aantal halide-perovskieten. Bijvoorbeeld, hij citeert hybride organisch-anorganische perovskieten (HOIP's), die veel ingewikkelder recepten hebben, evenals loodvrije dubbel-perovskiet-varianten die milieuvriendelijker zijn.

"Deze studie laat zien waarom dit perovskiet-raamwerk zelfs in de eenvoudigste gevallen speciaal is, " zei Delaire. "Deze bevindingen strekken zich zeer waarschijnlijk uit tot veel gecompliceerdere recepten, waar veel wetenschappers over de hele wereld momenteel onderzoek naar doen. Terwijl ze enorme computerdatabases doorzoeken, de dynamiek die we hebben ontdekt, kan helpen beslissen welke perovskieten we moeten nastreven."