Wetenschap
Van defecten naar orde:spontaan opkomende kristalarrangementen in perovskiethalogeniden
Perovskieten behoren tot de meest uitgebreid bestudeerde materialen in de moderne materiaalkunde. Hun vaak unieke en exotische eigenschappen, die voortkomen uit de eigenaardige kristalstructuur van perovskiet, zouden revolutionaire toepassingen kunnen vinden op verschillende geavanceerde gebieden. Een intrigerende manier om dergelijke eigenschappen te realiseren is door de precieze volgorde van de defecten van een perovskiet, zoals vacatures of vervangingen.
In de oxidechemie weten wetenschappers al heel lang dat oxidedefecten zich spontaan en consistent door het kristalrooster heen kunnen rangschikken, zodra ze bepaalde concentraties bereiken (bijvoorbeeld de gehele verhouding). Deze opkomende orde kan aanleiding geven tot aantrekkelijke vastgoedobjecten. Hoewel de volgorde van defecten talloze keren is waargenomen bij perovskietoxiden, kan hetzelfde niet worden gezegd over hybride halogenide-perovskieten, bestaande uit een organisch kation, een metaalkation en een halogenide-anion.
In een onderzoek gepubliceerd in ACS Materials Letters heeft een onderzoeksteam, waaronder universitair hoofddocent Takafumi Yamamoto van het Tokyo Institute of Technology, een nieuw defect-geordend gelaagd halogenide-perovskiet ontdekt, wat licht werpt op hoe orde kan ontstaan door defecten in deze verbindingen.
Dit werk werd geïnspireerd door een eerdere bevinding gerapporteerd door de onderzoekers, namelijk de vorming van 'defectkolommen' verkregen door de introductie van thiocyanaationen (SCN − ) in het kristalrooster van FAPbI3 om FA6 te verkrijgen Pb4 Ik13,5 (SCN)0,5 .
"We veronderstelden dat, als de concentratie van SCN in het rooster zou toenemen, de hoeveelheid kolomvormige defecten van PbI ook zou toenemen, wat zou leiden tot verschillende soorten defectordening, zoals te zien is in perovskietoxiden die in vacatures zijn geordend", legt Dr. Yamamoto uit. /P>
Het team synthetiseerde FAPbI3 perovskietpoeders en enkele kristallen via vastestofreacties met behulp van nauwkeurig gedefinieerde concentraties uitgangsmaterialen, inclusief specifieke verhoudingen van SCN – . Ze ontdekten dat bij een voldoende hoge verhouding SCN – werd gebruikt, werd het verkregen perovskiet weergegeven door de formule FA4 Pb2 Ik7,5 (SCN)0,5 .
Deze gelaagde verbinding vertoonde, net als de eerder gerapporteerde, ook kolomvormige defecten die alle gestapelde lagen omspannen. In tegenstelling tot FA6 Pb4 Ik13,5 (SCN)0,5 , waarin een vijfde van de PbI-kolommen op ordelijke wijze werd overgelopen, een derde van alle kolommen in de nieuwe FA4 Pb2 Ik7,5 (SCN)0,5 gebreken waren.
De belangrijkste nieuwigheid van deze ontdekking is dat de nieuwe verbinding, naast de vorige, een zogenaamde 'homologe reeks' vormt. Dit betekent dat systematische variaties op de chemische formule van de verbinding, die kan worden weergegeven met behulp van gehele variabelen, resulteren in systematische veranderingen in de eigenschappen ervan. In dit geval ontdekten de onderzoekers dat de optische bandafstand van het materiaal toenam met de concentratie van geordende defecten in het rooster.
Het is vermeldenswaard dat dit werk de eerste homologe reeks presenteert op basis van de defectordening die is gevonden voor hybride organisch-anorganische perovskieten. "Deze studie biedt een nieuwe speeltuin voor defect-engineering in organisch-anorganische hybride perovskietverbindingen. Wij geloven dat dit nieuwe veld het potentieel heeft zich te ontwikkelen naar analogie van de defect-ordening die al wordt gezien in perovskietoxiden", merkt Dr. Yamamoto op. /P>
"We hebben ook een nieuwe strategie geboden om de defectvolgorde te controleren voor het afstemmen van de optische eigenschappen van een perovskiet door SCN op te nemen - ."
De onderzoekers hopen dat deze bevindingen zich zullen vertalen in vooruitgang op een spannend gebied van de materiaalkunde, en uiteindelijk zullen leiden tot nieuwe perovskieten met nuttige eigenschappen voor technologieën van de volgende generatie.