I fogli ultrasottili di una nuova perovskite ibrida 2-D sono di forma quadrata e di area relativamente grande, proprietà che dovrebbero facilitare la loro integrazione nei futuri dispositivi elettronici. Credito:Peidong Yang, Berkeley Lab
Alla crescente lista di semiconduttori bidimensionali, come il grafene, nitruro di boro, e bisolfuro di molibdeno, le cui proprietà elettroniche uniche li rendono potenziali successori del silicio nei dispositivi futuri, ora puoi aggiungere perovskiti organiche-inorganiche ibride. Però, a differenza degli altri contendenti, che sono semiconduttori covalenti, queste perovskiti ibride 2D sono materiali ionici, che conferisce loro proprietà speciali.
I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno coltivato con successo fogli 2D atomicamente sottili di perovskiti ibride organiche-inorganiche dalla soluzione. Le lastre ultrasottili sono di alta qualità, di ampia superficie, e di forma quadrata. Hanno anche mostrato un'efficiente fotoluminescenza, sintonizzabilità del colore, e un rilassamento strutturale unico non riscontrato nei fogli semiconduttori covalenti.
"Riteniamo che questo sia il primo esempio di nanostrutture 2D atomicamente sottili realizzate con materiali ionici, "dice Peidong Yang, un chimico con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e autorità mondiale sulle nanostrutture, che per primo ha avuto l'idea di questa ricerca circa 20 anni fa. "I risultati del nostro studio aprono opportunità per la ricerca fondamentale sulla sintesi e la caratterizzazione di perovskiti ibride 2D atomicamente sottili e introducono una nuova famiglia di semiconduttori processati in soluzione 2D per dispositivi optoelettronici su scala nanometrica, come i transistor ad effetto di campo e i fotorivelatori".
Illustrazione strutturale di un singolo strato di una perovskite ibrida 2D (C4H9NH3)2PbBr4), un materiale ionico con proprietà diverse dai semiconduttori covalenti 2D.
Yang, che ricopre anche incarichi con l'Università della California (UC) Berkeley ed è co-direttore del Kavli Energy NanoScience Institute (Kavli-ENSI), è l'autore corrispondente di un articolo che descrive questa ricerca sulla rivista Scienza . Il documento è intitolato "Perovskiti ibride organico-inorganico atomicamente sottili bidimensionali". Gli autori principali sono Letian Dou, Andrew Wong e Yi Yu, tutti i membri del gruppo di ricerca di Yang. Altri autori sono Minliang Lai, Nikolay Kornienko, Samuel Eaton, Antonio Fu, Connor Bischak, Jie Ma, Tina Ding, Noemi Ginsberg, Lin-Wang Wang e Paul Alivisatos.
Le perovskiti tradizionali sono tipicamente materiali di ossido di metallo che mostrano una vasta gamma di affascinanti proprietà elettromagnetiche, tra cui ferroelettricità e piezoelettricità, superconduttività e magnetoresistenza colossale. Negli ultimi due anni, le perovskiti ibride organiche-inorganiche sono state trasformate in soluzione in film sottili o cristalli sfusi per dispositivi fotovoltaici che hanno raggiunto un'efficienza di conversione di potenza del 20%. Separando questi materiali ibridi in singoli, fogli 2D indipendenti attraverso tecniche come lo spin-coating, deposizione chimica da vapore, e l'esfoliazione meccanica ha avuto un successo limitato.
Nel 1994, mentre uno studente di dottorato all'Università di Harvard, Yang ha proposto un metodo per preparare nanostrutture di perovskite ibrida 2D e mettere a punto le loro proprietà elettroniche, ma non ha mai agito su di esso. Lo scorso anno, mentre si preparava a trasferire il suo ufficio, accolse la proposta e la passò al co-autore principale Dou, uno studente post-dottorato nel suo gruppo di ricerca. dou, lavorando principalmente con gli altri autori principali Wong e Yu, ha utilizzato la proposta di Yang per sintetizzare fogli 2D indipendenti di CH3NH3PbI3, una perovskite ibrida composta da una miscela di piombo, bromo, azoto, atomi di carbonio e idrogeno.
"A differenza dei metodi di esfoliazione e deposizione chimica da vapore, che normalmente producono lastre di perovskite relativamente spesse, siamo stati in grado di far crescere cristalli 2D uniformi di forma quadrata su un substrato piatto con un'elevata resa e un'eccellente riproducibilità, " dice Dou. "Abbiamo caratterizzato la struttura e la composizione dei singoli cristalli 2D utilizzando una varietà di tecniche e abbiamo scoperto che hanno un'emissione di banda leggermente spostata che potrebbe essere attribuita al rilassamento strutturale. Uno studio preliminare sulla fotoluminescenza indica un'emissione sul bordo della banda a 453 nanometri, che è leggermente spostato verso il rosso rispetto ai cristalli sfusi. Ciò suggerisce che la regolazione del colore potrebbe essere ottenuta in queste perovskiti ibride 2D modificando lo spessore del foglio e la composizione attraverso la sintesi di materiali correlati".
La geometria ben definita di questi cristalli 2D di forma quadrata è il segno di una cristallinità di alta qualità, e le loro grandi dimensioni dovrebbero facilitare la loro integrazione nei dispositivi futuri.
"Con la nostra tecnica, si possono realizzare anche eterostrutture verticali e laterali, " Yang afferma. "Questo apre nuove possibilità per la progettazione di materiali/dispositivi su scala atomica/molecolare con nuove proprietà distintive".
