Wetenschap
Onderzoekers creëren volledig organische 2D-perovskieten en demonstreren potentieel gebruik in 2D-elektronica
Perovskieten behoren tot de meest onderzochte onderwerpen in de materiaalkunde. Onlangs heeft een onderzoeksteam van de Hong Kong Polytechnic University (PolyU) een eeuwenoude uitdaging opgelost om volledig organische tweedimensionale perovskieten te synthetiseren, waardoor het veld wordt uitgebreid naar het opwindende rijk van 2D-materialen.
Het team stond onder leiding van prof. Loh Kian Ping, voorzitter hoogleraar materiaalfysica en scheikunde en Global STEM hoogleraar van de afdeling Technische Natuurkunde, dr. Kathy Leng, universitair docent van dezelfde afdeling, samen met dr. Hwa Seob Choi, postdoctoraal Research Fellow en de eerste auteur van het onderzoekspaper.
Deze doorbraak opent een nieuw veld van volledig organische 2D-perovskieten, dat veelbelovend is voor zowel de fundamentele wetenschap als potentiële toepassingen. Dit onderzoek, getiteld "Molecularly thin, two-dimensional all-organic perovskites", werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Science .
Perovskieten zijn genoemd naar hun structurele gelijkenis met het mineraal calciumtitanaat perovskiet, en staan bekend om hun fascinerende eigenschappen die kunnen worden toegepast in uiteenlopende domeinen zoals zonnecellen, verlichting en katalyse. Met een fundamentele chemische formule van ABX3 bezitten perovskieten het vermogen om nauwkeurig afgesteld te worden door zowel de A- en B-kationen als het X-anion aan te passen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor de ontwikkeling van hoogwaardige materialen.
Terwijl perovskiet voor het eerst werd ontdekt als een anorganische verbinding, heeft het team van prof. Loh hun aandacht gericht op de opkomende klasse van volledig organische perovskieten. In deze nieuwe familie zijn de A-, B- en X-bestanddelen organische moleculen in plaats van individuele atomen zoals metalen of zuurstof.
De ontwerpprincipes voor het creëren van driedimensionale (3D) perovskieten met behulp van organische componenten zijn pas onlangs vastgesteld. Het is veelbetekenend dat volledig organische perovskieten duidelijke voordelen bieden ten opzichte van hun volledig anorganische tegenhangers, omdat ze in oplossingen verwerkbaar en flexibel zijn, waardoor kosteneffectieve fabricage mogelijk is.
Bovendien kunnen, door de chemische samenstelling van het kristal te manipuleren, waardevolle elektromagnetische eigenschappen zoals diëlektrische eigenschappen, die toepassing vinden in elektronica en condensatoren, nauwkeurig worden ontworpen.
Traditioneel worden onderzoekers geconfronteerd met uitdagingen bij de synthese van volledig organische 3D-perovskieten vanwege de beperkte selectie van organische moleculen die bij de kristalstructuur kunnen passen. Prof. Loh en zijn team erkenden deze beperking en stelden een innovatieve aanpak voor:het synthetiseren van volledig organische perovskieten in de vorm van 2D-lagen in plaats van 3D-kristallen.
Deze strategie was bedoeld om de beperkingen van omvangrijke moleculen te overwinnen en de opname van een breder scala aan organische ionen te vergemakkelijken. Het verwachte resultaat was de opkomst van nieuwe en buitengewone eigenschappen in deze materialen.
Om hun voorspelling te valideren, ontwikkelde het team een nieuwe algemene klasse van gelaagde organische perovskieten. In navolging van de conventie voor het benoemen van perovskieten, noemden ze dit de "Choi-Loh-v-fase" (CL-v), naar Dr. Choi en Prof. Loh.
Deze perovskieten bestaan uit moleculair dunne lagen die bij elkaar worden gehouden door krachten die grafietlagen bij elkaar houden, de zogenaamde van der Waals-krachten - vandaar de "v" in CL-v. Vergeleken met de eerder bestudeerde hybride 2D-perovskieten wordt de CL-v-fase gestabiliseerd door de toevoeging van een ander B-kation aan de eenheidscel en heeft deze de algemene formule A2 B2 X4 .
Met behulp van oplossingsfasechemie heeft het onderzoeksteam een CL-v-materiaal bereid dat bekend staat als CMD-N-P2 , waarin de A-, B- en X-locaties worden bezet door CMD (een gechloreerd cyclisch organisch molecuul), ammonium en PF6 − ionen, respectievelijk. De verwachte kristalstructuur werd bevestigd door elektronenmicroscopie met hoge resolutie, uitgevoerd bij cryogene temperatuur.
Deze moleculair dunne organische 2D-perovskieten verschillen fundamenteel van traditionele 3D-mineralen. Ze zijn enkelkristallijn in twee dimensies en kunnen worden geëxfolieerd als zeshoekige vlokken van slechts een paar nanometer dik:20.000 keer dunner dan een mensenhaar.
De oplossingsverwerkbaarheid van 2D organische perovskieten biedt opwindende mogelijkheden voor hun toepassing in 2D-elektronica. Het Poly U-team voerde metingen uit aan de diëlektrische constanten van de CL-v-fase, wat waarden opleverde variërend van 4,8 tot 5,5. Deze waarden overtreffen die van veelgebruikte materialen zoals siliciumdioxide en hexagonaal boornitride.
Deze ontdekking biedt een veelbelovende mogelijkheid voor het integreren van de CL-v-fase als een diëlektrische laag in elektronische 2D-apparaten, omdat deze apparaten vaak 2D-diëlektrische lagen met hoge diëlektrische constanten nodig hebben, die doorgaans schaars zijn.
Teamlid Dr. Leng ging met succes de uitdaging aan om 2D organische perovskieten te integreren met 2D-elektronica. In hun aanpak werd de CL-v-fase gebruikt als de diëlektrische toplaag, terwijl het kanaalmateriaal bestond uit atomair dun molybdeensulfide.
Door gebruik te maken van de CL-v-fase bereikte de transistor superieure controle over de stroom tussen de source- en drain-terminals, waardoor de mogelijkheden van conventionele diëlektrische lagen van siliciumoxide werden overtroffen.
Het onderzoek van prof. Loh vestigt niet alleen een geheel nieuwe klasse van volledig organische perovskieten, maar laat ook zien hoe ze in oplossingen kunnen worden verwerkt in combinatie met geavanceerde fabricagetechnieken om de prestaties van 2D elektronische apparaten te verbeteren. Deze ontwikkelingen openen nieuwe mogelijkheden voor het creëren van efficiëntere en veelzijdigere elektronische systemen.