Perovskiet-nanokristallen zijn veelbelovend voor het verbeteren van een breed scala aan opto-elektronische apparaten - van lasers tot lichtgevende diodes (LED's) - maar problemen met hun duurzaamheid beperken nog steeds het brede commerciële gebruik van het materiaal.

Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben een nieuwe benadering aangetoond die gericht is op het aanpakken van het duurzaamheidsprobleem van het materiaal:het perovskiet insluiten in een dubbellaags beschermingssysteem gemaakt van plastic en silica.

In een studie gepubliceerd op 29 november in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , het onderzoeksteam beschrijft een meerstapsproces om omhulde perovskiet-nanokristallen te produceren die een sterke weerstand tegen degradatie in vochtige omgevingen vertonen.

"Perovskiet-nanokristallen zijn zeer gevoelig voor afbraak, vooral wanneer ze in contact komen met water, " zei Zhiqun Lin, een professor aan de Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Dit systeem met dubbele schil biedt twee beschermingslagen, terwijl elk nanokristal een afzonderlijke en afzonderlijke eenheid blijft, het bereiken van de maximale hoeveelheid oppervlakte en andere fysieke kenmerken van de perovskiet die nodig zijn voor het optimaliseren van opto-elektronische toepassingen."

De term perovskiet verwijst naar de kristalstructuur van het materiaal, die over het algemeen uit drie delen bestaat:twee kationen van verschillende grootte en een anion daartussenin. Al decenia, onderzoekers hebben getest door verschillende chemicaliën in de structuur te vervangen om unieke kenmerken te bereiken. Vooral, perovskieten die halogenideverbindingen zoals bromide en jodium bevatten, kunnen fungeren als lichtabsorbers en emitters.

Voor deze studie is die werd ondersteund door het Air Force Office of Scientific Research, de Nationale Wetenschapsstichting, het Defense Threduction Agency, en het ministerie van Energie, De groep van Lin werkte met een van de meest voorkomende halogenideconfiguraties, die wordt gevormd uit methylammonium, leiding, en bromide.

Hun proces omvat eerst het vormen van stervormige plastic moleculen die als "nanoreactoren" zouden kunnen dienen door 21 polymeerarmen op een eenvoudig suikermolecuul te laten groeien. Vervolgens, zodra precursorchemicaliën voor de silica- en perovskiet-nanokristallen op het plastic molecuul zijn geladen, verschillende stadia van chemische reacties produceren het uiteindelijke systeem.

Nadat het stervormige plastic zijn rol als nanoreactor heeft gespeeld, de stervormige onderdelen blijven permanent bevestigd, bijna als haar, naar de silica, die de perovskiet omhult. De haren dienen dan als eerste beschermingslaag, water afstoten en voorkomen dat de nanokristallen samenklonteren. De daaropvolgende laag silica voegt extra bescherming toe als er water langs het waterafstotende plastic haar komt.

"Synthese en toepassingen van perovskiet-nanokristallen zijn de afgelopen vijf jaar een snel evoluerend onderzoeksveld geweest, " zei Yanjie He, een co-auteur van het papier en voormalig afgestudeerde student aan Georgia Tech. "Onze strategie, gebaseerd op een oordeelkundig ontworpen stervormig plastic als nanoreactor, maakt ongekende controle mogelijk bij het maken van hoogwaardige perovskiet-nanokristallen met complexe architectuur, die ontoegankelijk is in conventionele benaderingen."

Om het materiaal te testen, de onderzoekers bedekten glassubstraten met een dunne film van de ingekapselde perovskieten en voerden verschillende stresstests uit, inclusief het onderdompelen van het gehele monster in gedeïoniseerd water. Door ultraviolet licht op het monster te laten schijnen, ze ontdekten dat de fotoluminescente eigenschappen van de perovskieten nooit verminderden tijdens een test van 30 minuten. Ter vergelijking, de onderzoekers dompelden ook niet-ingekapselde perovskieten onder in water en keken toe hoe hun fotoluminescentie binnen enkele seconden verdween.

Lin zei dat de nieuwe methode de mogelijkheid ontsluit om de oppervlakte-eigenschappen van het nanokristal met dubbele schil af te stemmen om zijn prestaties in een groter aantal toepassingen te verbeteren. Het fabricageproces van de nieuwe perovskiet-nanokristallen uit het stervormige plastic was ook uniek omdat het gebruikmaakte van oplosmiddelen met een laag kookpunt en een lage toxiciteit. Toekomstig onderzoek kan zich richten op de ontwikkeling van verschillende perovskiet nanokristallen systemen, inclusief volledig anorganische perovskieten, dubbele perovskieten, en gedoteerde perovskieten.

"We stellen ons voor dat dit type perovskiet-nanokristal zeer nuttig zal zijn voor het maken van duurzame opto-elektronische apparaten voor bio-imaging, biosensoren, fotonische sensoren, en stralingsdetectie, evenals de volgende generatie LED's, lasers, en scintillatoren, Lin zei. "Dit komt omdat deze harige perovskiet-nanokristallen unieke voordelen hebben, inclusief hoge defecttolerantie, smallere emissiebanden, en hoge scintillatie-efficiëntie."