Forskere skaber 2D helt organiske perovskiter, demonstrerer potentiel brug i 2D elektronik

Perovskites er blandt de mest undersøgte emner inden for materialevidenskab. For nylig har et forskerhold fra The Hong Kong Polytechnic University (PolyU) løst en ældgammel udfordring med at syntetisere helt organiske todimensionelle perovskitter, hvilket udvider feltet til det spændende område af 2D-materialer.

Holdet blev ledet af prof. Loh Kian Ping, formandsprofessor i materialefysik og kemi og global STEM-professor ved Institut for Anvendt Fysik, Dr. Kathy Leng, adjunkt ved samme afdeling, sammen med Dr. Hwa Seob Choi, postdoc. Forskningsstipendiat og den første forfatter til forskningsoplægget.

Dette gennembrud åbner et nyt felt af 2D helt organiske perovskites, som lover både grundlæggende videnskab og potentielle anvendelser. Denne forskning med titlen "Molecularly thin, to-dimensional all-organic perovskites," blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Science .

Perovskitter er opkaldt efter deres strukturelle lighed med mineralet calciumtitanatperovskit og er velkendte for deres fascinerende egenskaber, der kan anvendes på vidtgående områder såsom solceller, belysning og katalyse. Med en grundlæggende kemisk formel ABX₃ , besidder perovskitter evnen til at blive finjusteret ved at justere A- og B-kationerne samt X-anionen, hvilket baner vejen for udviklingen af ​​højtydende materialer.

Mens perovskit først blev opdaget som en uorganisk forbindelse, har Prof. Lohs team fokuseret deres opmærksomhed på den nye klasse af helt organiske perovskiter. I denne nye familie er A-, B- og X-bestanddele organiske molekyler snarere end individuelle atomer som metaller eller oxygen.

Designprincipperne for at skabe tredimensionelle (3D) perovskiter ved hjælp af organiske komponenter er først for nylig blevet etableret. Det er bemærkelsesværdigt, at helt organiske perovskitter tilbyder klare fordele i forhold til deres helt uorganiske modstykker, da de er løsningsbearbejdelige og fleksible, hvilket muliggør omkostningseffektiv fremstilling.

Ved at manipulere den kemiske sammensætning af krystallen kan værdifulde elektromagnetiske egenskaber, såsom dielektriske egenskaber, som finder anvendelse i elektronik og kondensatorer, desuden konstrueres præcist.

Traditionelt står forskere over for udfordringer i syntesen af ​​helt organiske 3D-perovskitter på grund af det begrænsede udvalg af organiske molekyler, der kan passe med krystalstrukturen. I erkendelse af denne begrænsning foreslog prof. Loh og hans team en innovativ tilgang:syntetisering af helt organiske perovskitter i form af 2D-lag i stedet for 3D-krystaller.

Denne strategi havde til formål at overvinde de begrænsninger, der pålægges af voluminøse molekyler, og lette inkorporeringen af ​​et bredere udvalg af organiske ioner. Det forventede resultat var fremkomsten af ​​nye og ekstraordinære egenskaber i disse materialer.

Ved at validere deres forudsigelse udviklede holdet en ny generel klasse af lagdelte organiske perovskitter. I overensstemmelse med konventionen om navngivning af perovskitter kaldte de det "Choi-Loh-v-fasen" (CL-v) efter Dr. Choi og Prof. Loh.

Disse perovskitter omfatter molekylært tynde lag, der holdes sammen af ​​kræfter, der holder grafitlag sammen, de såkaldte van der Waals-kræfter - deraf "v" i CL-v. Sammenlignet med de tidligere undersøgte hybride 2D-perovskitter, stabiliseres CL-v-fasen ved tilføjelse af en anden B-kation i enhedscellen og har den generelle formel A₂ B₂ X₄ .

Ved hjælp af opløsningsfasekemi forberedte forskerholdet et CL-v materiale kendt som CMD-N-P₂ , hvor A-, B- og X-stederne er optaget af CMD (et chloreret cyklisk organisk molekyle), ammonium og PF₆ ^- henholdsvis ioner. Den forventede krystalstruktur blev bekræftet ved højopløsningselektronmikroskopi udført ved kryogen temperatur.

Disse molekylært tynde organiske 2D-perovskitter er fundamentalt forskellige fra traditionelle 3D-mineraler, de er enkeltkrystallinske i to dimensioner og kan eksfolieres som sekskantede flager, der kun er nogle få nanometer tykke - 20.000 gange tyndere end et menneskehår.

Løsningsbearbejdeligheden af ​​2D organiske perovskites giver spændende muligheder for deres anvendelse i 2D elektronik. Poly U-teamet udførte målinger på de dielektriske konstanter i CL-v-fasen, hvilket gav værdier fra 4,8 til 5,5. Disse værdier overgår værdierne for almindeligt anvendte materialer såsom siliciumdioxid og hexagonalt bornitrid.

Denne opdagelse etablerer en lovende vej til at inkorporere CL-v fase som et dielektrisk lag i 2D elektroniske enheder, da disse enheder ofte kræver 2D dielektriske lag med høje dielektriske konstanter, som typisk er knappe.

Teammedlem Dr. Leng tacklede med succes udfordringen med at integrere 2D organiske perovskites med 2D elektronik. I deres tilgang blev CL-v-fasen anvendt som det øverste gate dielektriske lag, mens kanalmaterialet bestod af atomisk tyndt molybdænsulfid.

Ved at bruge CL-v-fasen opnåede transistoren overlegen kontrol over strømstrømmen mellem source- og drain-terminalerne, hvilket overgik mulighederne for konventionelle dielektriske siliciumoxidlag.

Prof. Lohs forskning etablerer ikke kun en helt ny klasse af helt organiske perovskitter, men demonstrerer også, hvordan de kan opløses i forbindelse med avanceret fremstillingsteknik for at forbedre ydeevnen af ​​2D elektroniske enheder. Denne udvikling åbner op for nye muligheder for at skabe mere effektive og alsidige elektroniske systemer.

Flere oplysninger: Hwa Seob Choi et al., Molekylært tynde, todimensionelle helt organiske perovskitter, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk8912

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Hong Kong Polytechnic University