Comportamento ionico nella perovskite organica agli alogenuri di piombo. Lo ione bromuro (Br-) nella soluzione può essere facilmente scambiato con lo ione ioduro (I-) all'interno del cristallo. Il movimento degli ioni di alogenuro all'interno del cristallo è innescato dai fori in cui sono stati rimossi gli atomi di alogenuro. Credito:Università di Kobe
Le perovskiti organiche-inorganiche ibride hanno ricevuto molta attenzione come potenziali celle solari di prossima generazione e come materiali per dispositivi che emettono luce.
Il Professore Associato dell'Università di Kobe Tachikawa Takashi (del Molecular Photoscience Research Center) e il Dr. Karimata Izuru (precedentemente uno studente laureato impegnato nella ricerca presso la Graduate School of Science) sono riusciti a sostituire completamente gli ioni alogenuro dei nanocristalli di perovskite mantenendo la loro morfologia e efficienza luminosa.
Per di più, utilizzando tecniche come l'imaging a fotoluminescenza a particella singola, i ricercatori sono stati in grado di comprendere i cambiamenti momentanei nell'emissione di luce e nella struttura cristallina, che a sua volta ha permesso loro di sviluppare un principio per controllare la composizione degli ioni.
Si prevede che questi risultati della ricerca contribuiranno a consentire la sintesi di perovskiti di varia composizione e a far progredire lo sviluppo di dispositivi che le utilizzano. Inoltre, si spera che la flessibilità delle strutture di perovskite possa essere sfruttata, consentendo loro di essere applicati ai dispositivi e la creazione di nuovi materiali funzionali.
Questi risultati sono stati pubblicati sulla rivista accademica tedesca Angewandte Chemie Edizione Internazionale il 19 ottobre, 2020.
Perovskiti organiche-inorganiche ibride, come le perovskiti organiche agli alogenuri di piombo (ad esempio, CH 3 NH 3 PbX 3 (X =Cl, Br, IO)), hanno ricevuto l'attenzione mondiale come materiale promettente per celle solari altamente efficienti. Per di più, il colore della luce che emettono può essere controllato alterando il tipo e la composizione degli ioni alogenuro. Di conseguenza, si spera che le perovskiti organiche-inorganiche ibride possano essere applicate a dispositivi che emettono luce come display e laser.
Però, gli ioni alogenuro all'interno dei cristalli sono noti per muoversi anche a temperatura ambiente, e questa elevata flessibilità causa problemi come riduzioni sia della riproducibilità della sintesi che della durata del dispositivo.
In alto:imaging di fotoluminescenza a particella singola della reazione di scambio di alogenuri utilizzando il reattore a flusso. La luce emessa è cambiata dal rosso al verde mentre i cristalli hanno mantenuto la loro morfologia e l'efficienza di emissione della luce.Sotto:illustrazione dei cambiamenti strutturali al nanocristallo di perovskite causati dalla reazione di scambio di alogenuri. Lo stato oscuro è causato da una carica elettrica insufficiente per la generazione di luce, che derivava dalla rottura della struttura interna del cristallo (difetti). Attestazione:Tachikawa Takashi
In questo studio, i ricercatori hanno utilizzato un reattore a flusso su misura per controllare con precisione la reazione di scambio tra il CH 3 NH 3 PbI 3 nanocristalli e Br - ioni in soluzione. Ciò ha permesso loro di convertire con successo i nanocristalli in CH 3 NH 3 PbBr 3 nanocristalli pur mantenendo la loro morfologia e l'efficienza di emissione della luce.
È importante sapere che tipo di reazione avverrà all'interno dei cristalli per sviluppare tecniche di sintesi. Per capire questo, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio a fluorescenza per osservare come reagiva ogni singolo nanocristallo. Da questa osservazione, capirono che una volta che la luce rossa emessa dal CH 3 NH 3 PbI 3 era completamente scomparso, la luce verde proveniente dal CH 3 NH 3 PbBr 3 è stato generato improvvisamente dopo un intervallo da 10 a 100 secondi. Sulla base dei risultati dell'analisi strutturale utilizzando un raggio di raggi X, è stato rivelato che Br - ioni sostituiti I - ioni all'interno della struttura cristallina mentre sulla superficie si formava uno strato ricco di bromuro. Dopo, il bromuro sullo strato superficiale si è spostato gradualmente nelle regioni interne.
Si ritiene che le emissioni di luce rossa siano diventate inosservabili perché le regioni interne della struttura cristallina erano parzialmente disordinate durante la transizione ionica, che ha portato alla perdita di energia necessaria per l'emissione di luce. Successivamente, CH 3 NH 3 PbBr 3 nuclei di cristallo formati all'interno della particella di nanocristalli e si è verificata una transizione cooperativa allo stato di generazione della luce verde.
Da questi risultati, si può dire che separare temporalmente le transizioni della struttura cristallina e la successiva ristrutturazione (che avviene su scala nanometrica) è una delle chiavi del successo, sintesi precisa di perovskiti organiche agli alogenuri di piombo.
The structural transformation process observed in perovskite nanocrystals in this study is thought to be related to all modes of nanomaterial synthesis that are based on ion exchange, therefore future research could hopefully illuminate the underlying mechanism. Although researchers have a negative impression of organic halide perovskites' flexibility, it is hoped that this characteristic could be exploited and applied to the development of new materials and devices that can react to the environment and external stimuli.
