导读作为潜在的下一代太阳能电池和发光器件的材料,混合有机-无机钙钛矿受到了广泛的关注。神户大学的立川孝(分子Photoscience研究中心)副教授

作为潜在的下一代太阳能电池和发光器件的材料,混合有机-无机钙钛矿受到了广泛的关注。神户大学的立川孝(分子Photoscience研究中心)副教授和卡里马达Izuru博士(以前是研究生从事于科学研究生院的研究)已经成功,同时保持它们的形态,完全替代钙钛矿纳米晶的卤素离子发光效率。

此外,通过使用单粒子光致发光成像等技术,研究人员能够了解光发射和晶体结构的瞬时变化,从而使他们能够开发出控制离子组成的原理。

预期这些研究结果将有助于实现各种组成的钙钛矿的合成,并促进利用它们的装置的开发。此外,希望可以利用钙钛矿结构的灵活性,从而将其应用于设备并创建新的功能材料。

这些发现已于2020年10月19日发表在德国学术期刊Angewandte Chemie International Edition上。

杂化有机-无机钙钛矿,例如有机卤化钙钛矿(例如,CH 3 NH 3 PbX 3(X = Cl,Br,I)),作为高效太阳能电池的一种有前途的材料已受到全世界的关注。此外,可以通过改变卤离子的类型和组成来控制它们发出的光的颜色。因此,希望能够将有机-无机钙钛矿杂化体应用于显示器和激光器等发光装置。

然而,已知晶体内部的卤离子即使在室温下也会四处移动,并且这种高柔韧性导致诸如合成再现性和装置耐用性降低的问题。

在这项研究中,研究人员使用定制的流动反应器中以精确地控制CH之间的交换反应3 NH 3碘化铅3纳米晶体和Br -离子在溶液中。这使他们能够成功地将纳米晶体转化为CH 3 NH 3 PbBr 3纳米晶体,同时保持其形态和发光效率。

重要的是要知道晶体内部将发生何种反应,以开发合成技术。为了理解这一点,研究人员使用荧光显微镜观察了每个纳米晶体的反应。根据该观察,他们理解,一旦由CH发出的红光3 NH 3碘化铅3已完全消失,从CH绿光始发3 NH 3 PbBr 3突然10S的至秒100秒的时间间隔后产生的。基于结构分析使用X射线束的结果,判明溴-离子取代我-离子在晶体结构内部产生离子,而在表面上形成富含溴化物的层。之后,表面层上的溴化物逐渐移入内部区域。

据信,由于在离子跃迁期间晶体结构的内部区域部分地无序,因此红光发射变得不可观察,这导致了发光所需的能量的损失。随后,在纳米晶体颗粒内部形成的CH 3 NH 3 PbBr 3晶核发生了向绿光生成状态的协同转变。

从这些结果可以说,暂时分离晶体结构转变和随后的重组(发生在纳米级)是成功,精确地合成有机卤化钙钛矿的关键之一。

钙钛矿纳米晶体中观察到的结构转变过程被认为与基于离子交换的纳米材料合成的所有模式有关,因此未来的研究有望阐明其潜在机理。尽管研究人员对钙钛矿有机卤化物的柔韧性有负面印象,但希望该特性可以被利用并应用于对环境和外部刺激有反应的新材料和装置的开发。