Fra defekter til ordre:Spontant fremkommende krystalarrangementer i perovskithalogenider

Perovskites er blandt de mest omfattende undersøgte materialer i moderne materialevidenskab. Deres ofte unikke og eksotiske egenskaber, som stammer fra perovskites ejendommelige krystalstruktur, kunne finde revolutionerende anvendelser på forskellige banebrydende områder. En spændende måde at realisere sådanne egenskaber på er gennem den præcise rækkefølge af en perovskites defekter, såsom ledige stillinger eller udskiftninger.

Inden for oxidkemi har forskere længe vidst, at oxiddefekter spontant og konsekvent kan arrangere sig i hele krystalgitteret, når de når bestemte koncentrationer (f.eks. heltalsforhold). Denne nye ordre kan give anledning til attraktive ejendomme. Mens defektorden er blevet observeret adskillige gange i perovskitoxider, kan det samme ikke siges om hybridhalogenidperovskitter, der er sammensat af en organisk kation, en metalkation og en halidanion.

I en undersøgelse offentliggjort i ACS Materials Letters , opdagede et forskerhold inklusive lektor Takafumi Yamamoto fra Tokyo Institute of Technology en ny defekt-ordnet lagdelt halogenidperovskit, der kaster lys over, hvordan orden kan opstå gennem defekter i disse forbindelser.

Dette arbejde var inspireret af et tidligere fund rapporteret af forskerne, nemlig dannelsen af ​​'defektsøjler' opnået ved at introducere thiocyanation (SCN ^- ) ind i krystalgitteret af FAPbI₃ for at opnå FA₆ Pb₄ I_13.5 (SCN)_0,5 .

"Vi antog, at hvis koncentrationen af ​​SCN i gitteret øgedes, ville mængden af ​​PbI-søjleformede defekter også stige, hvilket fører til forskellige typer af defektbestilling, som det ses i ledige stillinger af perovskitoxider," forklarer Dr. Yamamoto.

Holdet syntetiserede FAPbI₃ perovskitpulvere og enkeltkrystaller via faststofreaktioner ved brug af præcist definerede koncentrationer af udgangsmaterialer, herunder specifikke forhold mellem SCN ^– . De fandt ud af, at når et passende højt forhold mellem SCN ^– blev anvendt, blev den opnåede perovskit repræsenteret ved formlen FA₄ Pb₂ I_7.5 (SCN)_0,5 .

Denne lagdelte forbindelse, ligesom den tidligere rapporterede, udviste også søjleformede defekter, der spænder over alle stablede lag. Dog i modsætning til FA₆ Pb₄ I_13.5 (SCN)_0,5 , hvor en femtedel af PbI-kolonnerne var ordnet defekteret, en tredjedel af alle kolonner i den nye FA₄ Pb₂ I_7.5 (SCN)_0,5 var defekter.

Den vigtigste nyhed ved denne opdagelse er, at den nye forbindelse sammen med den forrige danner, hvad der er kendt som en "homolog serie." Det betyder, at systematiske variationer af forbindelsens kemiske formel, som kan repræsenteres ved hjælp af heltalsvariable, resulterer i systematiske ændringer i dens egenskaber. I dette tilfælde fandt forskerne ud af, at materialets optiske båndgab steg med koncentrationen af ​​ordnede defekter i gitteret.

Værd at bemærke, dette værk præsenterer den første homologe serie baseret på defektorden fundet for hybride organisk-uorganiske perovskitter. "Denne undersøgelse giver en ny legeplads for defektkonstruktion i organisk-uorganiske hybridperovskitforbindelser. Vi mener, at dette nye felt har potentialet til at udvikle sig i analogi med den defektorden, der allerede ses i perovskitoxider," bemærker Dr. Yamamoto.

"Vi har også leveret en ny strategi til at kontrollere defektbestillingerne til tuning af en perovskites optiske egenskaber ved at inkorporere SCN ^– ."

Forskerne håber, at disse resultater vil oversætte til fremskridt inden for et spændende område inden for materialevidenskab, hvilket i sidste ende vil føre til nye perovskiter med nyttige kvaliteter til næste generations teknologier.

Flere oplysninger: FA4Pb2I7.5(SCN)0.5:n =3 Medlem af Perovskite Homologous Series FAn+1Pbn−1I3n−1.5(SCN)0.5 med kolonnedefekter, ACS Materials Letters (2024). DOI:10.1021/acsmaterialslett.3c01514

Leveret af Tokyo Institute of Technology