Pansret med plastik hår og silica, nye perovskit nanokrystaller viser mere holdbarhed

Perovskite nanokrystaller lover at forbedre en bred vifte af optoelektroniske enheder - fra lasere til lysdioder (LED'er) - men problemer med deres holdbarhed begrænser stadig materialets brede kommercielle anvendelse.

Forskere ved Georgia Institute of Technology har demonstreret en ny tilgang, der tager sigte på at løse materialets holdbarhedsproblem:at indkapsle perovskitten inde i et dobbeltlags beskyttelsessystem lavet af plastik og silica.

I en undersøgelse offentliggjort 29. november i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , forskerholdet beskriver en flertrinsproces til fremstilling af indkapslede perovskit-nanokrystaller, der udviser stærk modstand mod nedbrydning i fugtige miljøer.

"Perovskite nanokrystaller er meget modtagelige for nedbrydning, især når de kommer i kontakt med vand, " sagde Zhiqun Lin, en professor ved Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Dette dobbeltskallede system tilbyder to lag beskyttelse, samtidig med at hver nanokrystal forbliver en særskilt og separat enhed, at opnå den maksimale mængde overfladeareal og andre fysiske egenskaber af perovskitten, der er nødvendige for at optimere optoelektroniske applikationer."

Udtrykket perovskit refererer til materialets krystalstruktur, som generelt er sammensat af tre dele:to kationer af forskellig størrelse og en anion imellem. I årtier, forskere har testet at erstatte forskellige kemikalier i strukturen for at opnå unikke egenskaber. I særdeleshed, perovskitter, der indeholder halogenidforbindelser såsom bromid og jod, kan fungere som lysabsorbere og -emittere.

Til denne undersøgelse, som blev støttet af Air Force Office of Scientific Research, National Science Foundation, Defense Threat Reduction Agency, og Energiministeriet, Lins gruppe arbejdede med en af ​​de mest almindelige halogenidkonfigurationer, som er dannet af methylammonium, at føre, og bromid.

Deres proces involverer først at danne stjerneformede plastikmolekyler, der kunne tjene som "nanoreaktorer" ved at dyrke 21 polymerarme på et simpelt sukkermolekyle. Derefter, når forstadiekemikalier til silica og perovskit nanokrystaller er fyldt på plastikmolekylet, flere stadier af kemiske reaktioner producerer det endelige system.

Efter at den stjerneformede plastik har spillet sin rolle som nanoreaktor, de stjerneformede komponenter forbliver permanent fastgjort, næsten som hår, til silica, som omslutter perovskitten. Hårene tjener derefter som det første lag af beskyttelse, frastøder vand og forhindrer nanokrystallerne i at klumpe sig sammen. Det efterfølgende lag silica tilføjer yderligere beskyttelse, hvis der skulle komme vand forbi det vandafvisende plastikhår.

"Syntese og anvendelser af perovskit nanokrystaller har været et hurtigt udviklende forskningsfelt i løbet af de sidste fem år, " sagde Yanjie He, en medforfatter af papiret og tidligere kandidatstuderende ved Georgia Tech. "Vores strategi, baseret på en velovervejet designet stjerneformet plastik som en nanoreaktor, muliggør hidtil uset kontrol i fremstillingen af ​​højkvalitets perovskite nanokrystaller med kompleks arkitektur, som er utilgængelig i konventionelle tilgange."

For at teste materialet, forskerne coatede glassubstrater med en tynd film af de indkapslede perovskitter og udførte adskillige stresstests, herunder nedsænkning af hele prøven i deioniseret vand. Ved at skinne ultraviolet lys på prøven, de fandt ud af, at perovskitternes fotoluminescerende egenskaber aldrig blev mindre under en 30-minutters test. Til sammenligning, forskerne nedsænkede også uindkapslede perovskitter i vand og så, hvordan deres fotoluminescens forsvandt i løbet af få sekunder.

Lin sagde, at den nye metode låser op for muligheden for at justere overfladeegenskaberne for den dobbeltskallede nanokrystal for at forbedre dens ydeevne i en større række af applikationer. Processen med at fremstille de nye perovskit nanokrystaller fra den stjerneformede plastik var også unik, idet den anvendte lavtkogende opløsningsmidler med lav toksicitet. Fremtidig forskning kan fokusere på at udvikle forskellige perovskit nanokrystalsystemer, inklusive helt uorganiske perovskitter, dobbelt perovskitter, og dopede perovskitter.

"Vi forestiller os, at denne type perovskit nanokrystal vil vise sig meget nyttig til at skabe holdbare optoelektroniske enheder til biobilleddannelse, biosensorer, fotoniske sensorer, og strålingsdetektion, samt næste generations LED'er, lasere, og scintillatorer, " sagde Lin. "Dette er fordi disse behårede perovskit nanokrystaller har unikke fordele, inklusive høj defekttolerance, smallere emissionsbånd, og høj scintillationseffektivitet."