En anden type 2-D halvleder

Til den voksende liste over todimensionelle halvledere, såsom grafen, bornitrid, og molybdændisulfid, hvis unikke elektroniske egenskaber gør dem til potentielle efterfølgere til silicium i fremtidige enheder, du kan nu tilføje hybride organisk-uorganiske perovskiter. Imidlertid, i modsætning til de andre kandidater, som er kovalente halvledere, disse 2D hybride perovskitter er ioniske materialer, hvilket giver dem særlige egenskaber.

Forskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har med succes dyrket atomisk tynde 2D-plader af organisk-uorganiske hybridperovskiter fra opløsning. De ultratynde plader er af høj kvalitet, stort areal, og firkantet. De udviste også effektiv fotoluminescens, farvejustering, og en unik strukturel afslapning, der ikke findes i kovalente halvlederark.

"Vi mener, at dette er det første eksempel på 2D atomisk tynde nanostrukturer lavet af ioniske materialer, " siger Peidong Yang, en kemiker med Berkeley Labs Materials Sciences Division og verdensautoritet inden for nanostrukturer, som først fik ideen til denne forskning for omkring 20 år siden. "Resultaterne af vores undersøgelse åbner op for muligheder for grundlæggende forskning i syntese og karakterisering af atomisk tynde 2D hybride perovskiter og introducerer en ny familie af 2D-løsningsbehandlede halvledere til nanoskala optoelektroniske enheder, såsom felteffekttransistorer og fotodetektorer."

Yang, som også har aftaler med University of California (UC) Berkeley og er meddirektør for Kavli Energy NanoScience Institute (Kavli-ENSI), er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver denne forskning i tidsskriftet Videnskab . Artiklen har titlen "Atomisk tynde todimensionelle organisk-uorganiske hybridperovskiter." Hovedforfatterne er Letian Dou, Andrew Wong og Yi Yu, alle medlemmer af Yangs forskningsgruppe. Andre forfattere er Minliang Lai, Nikolay Kornienko, Samuel Eaton, Anthony Fu, Connor Bischak, Jie Ma, Tina Ding, Naomi Ginsberg, Lin-Wang Wang og Paul Alivisatos.

Traditionelle perovskitter er typisk metaloxidmaterialer, der udviser en bred vifte af fascinerende elektromagnetiske egenskaber, herunder ferroelektricitet og piezoelektricitet, superledning og kolossal magnetomodstand. I de sidste par år, organisk-uorganiske hybridperovskiter er blevet opløsningsforarbejdet til tynde film eller bulkkrystaller til fotovoltaiske enheder, der har nået en effektkonverteringseffektivitet på 20 procent. Ved at adskille disse hybridmaterialer i individuelle, fritstående 2D-ark gennem teknikker som spin-coating, kemisk dampaflejring, og mekanisk eksfoliering har haft begrænset succes.

I 1994, mens han var ph.d.-studerende ved Harvard University, Yang foreslog en metode til fremstilling af 2D hybrid perovskit nanostrukturer og tuning af deres elektroniske egenskaber, men handlede aldrig på den. Det sidste år, mens han forbereder at flytte sit kontor, han kom over forslaget og gav det videre til medforfatteren Dou, en postdoc i sin forskningsgruppe. Gør du, arbejder hovedsageligt med de andre hovedforfattere Wong og Yu, brugte Yangs forslag om at syntetisere fritstående 2D-ark af CH3NH3PbI3, en hybrid perovskit lavet af en blanding af bly, brom, nitrogen, kulstof- og brintatomer.

"I modsætning til eksfoliering og kemiske dampaflejringsmetoder, som normalt producerer relativt tykke perovskitplader, vi var i stand til at dyrke ensartede firkantede 2D-krystaller på et fladt substrat med højt udbytte og fremragende reproducerbarhed, " siger Dou. "Vi karakteriserede strukturen og sammensætningen af ​​individuelle 2D-krystaller ved hjælp af en række forskellige teknikker og fandt ud af, at de har en let forskudt båndkantsemission, der kunne tilskrives strukturel afslapning. En foreløbig fotoluminescensundersøgelse indikerer en båndkantsemission ved 453 nanometer, som er rødforskudt en smule sammenlignet med bulkkrystaller. Dette tyder på, at farvejustering kunne opnås i disse 2D hybridperovskitter ved at ændre pladetykkelsen samt sammensætningen via syntesen af ​​relaterede materialer."

Den veldefinerede geometri af disse firkantede 2D-krystaller er kendetegnende for krystallinitet af høj kvalitet, og deres store størrelse skulle lette deres integration i fremtidige enheder.

"Med vores teknik, vertikale og laterale heterostrukturer kan også opnås, " siger Yang. "Dette åbner op for nye muligheder for design af materialer/enheder på en atomær/molekylær skala med karakteristiske nye egenskaber."