Naar de groeiende lijst van tweedimensionale halfgeleiders, zoals grafeen, boornitride, en molybdeendisulfide, waarvan de unieke elektronische eigenschappen hen tot potentiële opvolgers van silicium in toekomstige apparaten maken, je kunt nu hybride organisch-anorganische perovskieten toevoegen. Echter, in tegenstelling tot de andere kanshebbers, die covalente halfgeleiders zijn, deze 2D hybride perovskieten zijn ionische materialen, waardoor ze speciale eigenschappen hebben.

Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben met succes atomair dunne 2D-platen van organisch-anorganische hybride perovskieten uit oplossing gekweekt. De ultradunne platen zijn van hoge kwaliteit, groot van oppervlakte, en vierkant gevormd. Ze vertoonden ook efficiënte fotoluminescentie, kleur-afstembaarheid, en een unieke structurele relaxatie die niet wordt gevonden in covalente halfgeleiderplaten.

"Wij geloven dat dit het eerste voorbeeld is van 2D atomair dunne nanostructuren gemaakt van ionische materialen, " zegt Peidong Yang, een chemicus bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en wereldautoriteit op het gebied van nanostructuren, die zo'n 20 jaar geleden voor het eerst op het idee voor dit onderzoek kwam. "De resultaten van onze studie bieden mogelijkheden voor fundamenteel onderzoek naar de synthese en karakterisering van atomair dunne 2D hybride perovskieten en introduceren een nieuwe familie van 2D-oplossing-verwerkte halfgeleiders voor opto-elektronische apparaten op nanoschaal, zoals veldeffecttransistoren en fotodetectoren."

Yang, die ook aanstellingen heeft bij de University of California (UC) Berkeley en mededirecteur is van het Kavli Energy NanoScience Institute (Kavli-ENSI), is de corresponderende auteur van een artikel waarin dit onderzoek in het tijdschrift wordt beschreven Wetenschap . Het artikel is getiteld "Atomisch dunne tweedimensionale organisch-anorganische hybride perovskieten." De hoofdauteurs zijn Letian Dou, Andrew Wong en Yi Yu, alle leden van de onderzoeksgroep van Yang. Andere auteurs zijn Minliang Lai, Nikolaj Kornienko, Samuël Eaton, Anthony Fu, Connor Bischak, Jie Ma, Tine Ding, Naomi Ginsberg, Lin Wang Wang en Paul Alivisatos.

Traditionele perovskieten zijn typisch metaaloxidematerialen die een breed scala aan fascinerende elektromagnetische eigenschappen vertonen, inclusief ferro-elektriciteit en piëzo-elektriciteit, supergeleiding en kolossale magnetoweerstand. In de afgelopen paar jaar, organisch-anorganische hybride perovskieten zijn in oplossing verwerkt tot dunne films of bulkkristallen voor fotovoltaïsche apparaten die een energieconversie-efficiëntie van 20 procent hebben bereikt. Het scheiden van deze hybride materialen in individuele, vrijstaande 2D-platen door middel van technieken als spincoating, chemische dampafzetting, en mechanische exfoliatie heeft beperkt succes gehad.

1994, terwijl een promovendus aan de Harvard University, Yang stelde een methode voor om 2D hybride perovskiet-nanostructuren te maken en hun elektronische eigenschappen af ​​te stemmen, maar handelde er nooit naar. Dit afgelopen jaar, terwijl hij zich voorbereidt op de verhuizing van zijn kantoor, hij kwam op het voorstel en gaf het door aan co-hoofdauteur Dou, een postdoctoraal student in zijn onderzoeksgroep. Doe jij, voornamelijk werkend met de andere hoofdauteurs Wong en Yu, gebruikte het voorstel van Yang om vrijstaande 2D-bladen van CH3NH3PbI3 te synthetiseren, een hybride perovskiet gemaakt van een mengsel van lood, broom, stikstof, koolstof- en waterstofatomen.

"In tegenstelling tot peeling- en chemische dampafzettingsmethoden, die normaal gesproken relatief dikke perovskietplaten produceren, we waren in staat om uniforme vierkante 2D-kristallen te kweken op een vlak substraat met een hoge opbrengst en uitstekende reproduceerbaarheid, " zegt Dou. "We hebben de structuur en samenstelling van individuele 2D-kristallen gekarakteriseerd met behulp van een verscheidenheid aan technieken en ontdekten dat ze een licht verschoven band-edge-emissie hebben die kan worden toegeschreven aan structurele ontspanning. Een voorlopige fotoluminescentiestudie geeft een band-edge emissie aan bij 453 nanometer, die enigszins rood is verschoven in vergelijking met bulkkristallen. Dit suggereert dat kleurafstemming kan worden bereikt in deze 2D hybride perovskieten door zowel de plaatdikte als de samenstelling te veranderen via de synthese van verwante materialen."

De goed gedefinieerde geometrie van deze vierkante 2D-kristallen is het kenmerk van hoogwaardige kristalliniteit, en hun grote omvang zou hun integratie in toekomstige apparaten moeten vergemakkelijken.

"Met onze techniek verticale en laterale heterostructuren kunnen ook worden bereikt, Yang zegt. "Dit opent nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van materialen/apparaten op atomaire/moleculaire schaal met onderscheidende nieuwe eigenschappen."