Il team era guidato dal Prof. Loh Kian Ping, Professore titolare di Fisica e Chimica dei Materiali e Professore Global STEM del Dipartimento di Fisica Applicata, dalla Dott.ssa Kathy Leng, Professore assistente dello stesso dipartimento, insieme alla Dott.ssa Hwa Seob Choi, Post-dottorato Ricercatore e primo autore del documento di ricerca.

Questa svolta apre un nuovo campo di perovskiti 2D completamente organiche, che è promettente sia per la scienza fondamentale che per le potenziali applicazioni. Questa ricerca, intitolata "Perovskiti organiche bidimensionali e molecolari", è stata recentemente pubblicata sulla rivista Science .

Le perovskiti prendono il nome dalla loro somiglianza strutturale con la perovskite, minerale titanato di calcio, e sono ben note per le loro proprietà affascinanti che possono essere applicate in campi ad ampio raggio come le celle solari, l'illuminazione e la catalisi. Con una formula chimica fondamentale di ABX₃ , le perovskiti possiedono la capacità di essere messe a punto con precisione regolando i cationi A e B nonché l'anione X, aprendo la strada allo sviluppo di materiali ad alte prestazioni.

Mentre la perovskite è stata scoperta per la prima volta come composto inorganico, il team del Prof. Loh ha concentrato la propria attenzione sulla classe emergente delle perovskiti completamente organiche. In questa nuova famiglia, i costituenti A, B e X sono molecole organiche anziché singoli atomi come i metalli o l'ossigeno.

I principi di progettazione per la creazione di perovskiti tridimensionali (3D) utilizzando componenti organici sono stati stabiliti solo di recente. Significativamente, le perovskiti completamente organiche offrono vantaggi distinti rispetto alle loro controparti completamente inorganiche, poiché sono flessibili e processabili in soluzione, consentendo una fabbricazione economicamente vantaggiosa.

Inoltre, manipolando la composizione chimica del cristallo, è possibile progettare con precisione proprietà elettromagnetiche preziose come le proprietà dielettriche, che trovano applicazioni nell'elettronica e nei condensatori.

Tradizionalmente, i ricercatori affrontano sfide nella sintesi di perovskiti 3D completamente organiche a causa della selezione ristretta di molecole organiche che possono adattarsi alla struttura cristallina. Riconoscendo questa limitazione, il Prof. Loh e il suo team hanno proposto un approccio innovativo:sintetizzare perovskiti completamente organiche sotto forma di strati 2D invece di cristalli 3D.

Questa strategia mirava a superare i vincoli imposti dalle molecole ingombranti e a facilitare l'incorporazione di una gamma più ampia di ioni organici. Il risultato atteso era l'emergere di proprietà nuove e straordinarie in questi materiali.

Convalidando la loro previsione, il team ha sviluppato una nuova classe generale di perovskiti organiche stratificate. Seguendo la convenzione per la denominazione delle perovskiti, la chiamarono "fase Choi-Loh-v" (CL-v) in onore del Dr. Choi e del Prof. Loh.

Queste perovskiti comprendono strati molecolarmente sottili tenuti insieme da forze che tengono insieme gli strati di grafite, le cosiddette forze di van der Waals, da cui la "v" in CL-v. Rispetto alle perovskiti ibride 2D precedentemente studiate, la fase CL-v è stabilizzata mediante l'aggiunta di un altro catione B nella cella unitaria e ha la formula generale A₂ B₂ X₄ .

Utilizzando la chimica della fase di soluzione, il team di ricerca ha preparato un materiale CL-v noto come CMD-N-P₂ , in cui i siti A, B e X sono occupati da CMD (una molecola organica ciclica clorurata), ammonio e PF₆ ^- ioni, rispettivamente. La struttura cristallina prevista è stata confermata mediante microscopia elettronica ad alta risoluzione effettuata a temperatura criogenica.

Queste perovskiti organiche 2D molecolarmente sottili sono fondamentalmente diverse dai tradizionali minerali 3D, sono monocristalline in due dimensioni e possono essere esfoliate come scaglie esagonali spesse solo pochi nanometri, 20.000 volte più sottili di un capello umano.

La processabilità in soluzione delle perovskiti organiche 2D presenta interessanti opportunità per la loro applicazione nell'elettronica 2D. Il team Poly U ha condotto misurazioni sulle costanti dielettriche della fase CL-v, ottenendo valori compresi tra 4,8 e 5,5. Questi valori superano quelli dei materiali comunemente usati come il biossido di silicio e il nitruro di boro esagonale.

Questa scoperta costituisce una strada promettente per incorporare la fase CL-v come strato dielettrico nei dispositivi elettronici 2D, poiché questi dispositivi spesso richiedono strati dielettrici 2D con costanti dielettriche elevate, che in genere sono scarsi.

Il membro del team, il dottor Leng, ha affrontato con successo la sfida di integrare le perovskiti organiche 2D con l'elettronica 2D. Nel loro approccio, la fase CL-v veniva impiegata come strato dielettrico del gate superiore, mentre il materiale del canale era costituito da solfuro di molibdeno atomicamente sottile.

Utilizzando la fase CL-v, il transistor ha ottenuto un controllo superiore sul flusso di corrente tra i terminali di source e drain, superando le capacità degli strati dielettrici di ossido di silicio convenzionali.

La ricerca del Prof. Loh non solo stabilisce una classe completamente nuova di perovskiti completamente organiche, ma dimostra anche come possano essere elaborate in soluzione insieme a tecniche di fabbricazione avanzate per migliorare le prestazioni dei dispositivi elettronici 2D. Questi sviluppi aprono nuove possibilità per la creazione di sistemi elettronici più efficienti e versatili.