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Chimica

Facile Synthese von kolloidalen BleiHalogenid Perowskit Nanoplättchen über Ligand-Assisted Reprecipitation

Published: October 01, 2019
doi:
10.3791/60114
,
1Department of Chemical Engineering,Massachusetts Institute of Technology

Summary

Diese Arbeit zeigt eine einfache Raumtemperatursynthese von kolloidalen quantengebundenen Bleihalogenidperowskinperowskit-Nanoplättchen mittels Liganden-unterstützter Repräzipitierungsmethode. Synthetisierte Nanoplättchen weisen spektral enge optische Merkmale und kontinuierliche spektrale Tunabilität im gesamten sichtbaren Bereich auf, indem sie die Zusammensetzung und die Dicken variieren.

Abstract

In dieser Arbeit zeigen wir eine einfache Methode für kolloidales Bleihalogenid Perowskit-Nanothromboletsynthese (Chemische Formel: L2[ABX3]n-1BX4, L: Butylammonium und Octylammonium, A: Methylammonium oder Formamidinium, B: Blei, X: Bromid und Jodid, n: Anzahl [BX6]4- Oktaederschichten in Richtung Nanothrombosedicke) über Liganden-unterstützte Repräzipitierung. Individuelle Perowskit-Vorläuferlösungen werden hergestellt, indem jedes Nanoplättchen-Konstituentensalz in N,N-Dimethylformamid (DMF), einem polaren organischen Lösungsmittel, gelöst und anschließend in spezifischen Verhältnissen für gezielte Nanoplättchendicke und -zusammensetzung gemischt wird. Sobald die gemischte Vorläuferlösung in unpolares Toluol abgeworfen wird, induziert die abrupte Veränderung der Löslichkeit die sofortige Kristallisation von Nanoplättchen mit oberflächengebundenen Alkylammoniumhalogenid-Liganden, die kolloidale Stabilität bieten. Photolumineszenz- und Absorptionsspektren zeigen emissive und stark quantenbeschränkte Merkmale. Röntgenbeugung und Transmissionselektronenmikroskopie bestätigen die zweidimensionale Struktur der Nanoplättchen. Darüber hinaus zeigen wir, dass die Bandlücke von Perowskit-Nanoplättchen kontinuierlich im sichtbaren Bereich gestimmt werden kann, indem die Stoichiometrie des Halid-Ions(s) variiert wird. Schließlich zeigen wir die Flexibilität der Liganden-unterstützten Repräzipitierungsmethode, indem wir mehrere Arten als oberflächenverdeckende Liganden einführen. Diese Methode stellt ein einfaches Verfahren zur Vorbereitung von Dispersionen von emissiven 2D-kolloidalen Halbleitern dar.

Introduction

In den letzten zehn Jahren hat die Herstellung von Bleihalogenid perovskites Solarzellen1,2,3,4,5,6 die ausgezeichneten Eigenschaften dieser Halbleitermaterial, einschließlich langer Trägerdiffusionslängen7,8,9,10, kompositorische Tunabilität4,5,11 und kostengünstige Synthese12. Insbesondere die Einzigartigkeit der Fehlertoleranz13,14 macht Bleihalogenidperowskite grundlegend anders als andere Halbleiter und damit vielversprechend für optoelektronische Anwendungen der nächsten Generation.

Neben Solarzellen, Bleihalogenid Perowskite haben gezeigt, dass ausgezeichnete optoelektronische Geräte wie Leuchtdioden6,15,16,17,18, 19,20,21,22, Laser23,24,25und Photodetektoren26,27, 28. Insbesondere bei Der Präparation in Form von kolloidalen Nanokristallen18,29,30,31,32,33,34, 35,36,37,38,39,40,41,42,43, blei HalidePerowskite können starke Quanten- und Dielektrizitäts-Eingrenzung, große Exzitonbindungsenergie44,45und helle Lumineszenz17,19 zusammen mit einer einfachen Lösung aufweisen Verarbeitbarkeit. Verschiedene gemeldete Geometrien einschließlich Quantenpunkte29,30,31,32, Nanostäbchen33,34 und Nanoplättchen18, 35,36,37,38,39,40,41,43 weiter demonstrieren die Form-Tunbarkeit von Bleihalogenid Perowskit-Nanokristallen.

Unter diesen Nanokristallen sind kolloidale zweidimensionale (2D) Bleihalogenidperowskiter oder “Perowskit-Nanoplättchen” besonders vielversprechend für lichtemittierende Anwendungen aufgrund der starken Einschließung von Ladungsträgern, große Exzitonbindungsenergie, die bis zu Hunderten von meV44und spektral schmale Emission von dicken-reinen Ensembles von Nanoplättchen39. Darüber hinaus zeigt die anisotrope Emission, die für 2D-Perowskit-Nanokristalle46 und andere 2D-Halbleiter47,48 gemeldet wurde, das Potenzial der Maximierung der Auskopplungseffizienz von Perowskit-Nanoplopenit-basierten Licht emittierende Geräte.

Hier zeigen wir ein Protokoll zur einfachen, universellen Raumtemperatursynthese von kolloidalen Bleihalogenidperowskin-Nanoplättchen über eine Liganden-unterstützte Repräzipitierungstechnik36,38,49. Perowskit-Nanoplättchen mit Jod- und/oder Bromidhalogenid-Anionen, Methylammonium- oder Formamidinium-organischen Kationen und variablen organischen Oberflächenligaden werden nachgewiesen. Es werden Verfahren zur Kontrolle der Absorptions- und Emissionsenergie und der Dickenreinheit der kolloidalen Dispersion diskutiert.

Protocol

ANMERKUNG: Von hier aus werden einfachere Notationen von ‘n = 1 BX’ und ‘n = 2 ABX’ anstelle der komplexen chemischen Formel von L2BX4 und L2[ABX3]BX4″ verwendet. Für eine bessere Stabilität und optische Eigenschaften der resultierenden Perowskit-Nanoplättchen wird empfohlen, das gesamte Verfahren unter inerten Bedingungen49 (d. h. einem Stickstoffhandschuhkasten) abzuschließen. 1. Herstellung de…

Representative Results

Die schematische Darstellung von Perowskit-Nanoplättchen und Syntheseverfahren gibt einen Überblick über das Material und die synthetischen Details (Abbildung 1). Bilder von kolloidalen Perowskit-Nanoplättchenlösungen unter Umgebungslicht und UV (Abbildung 2), kombiniert mit Photolumineszenz- und Absorptionsspektren (Abbildung 3) bestätigen die emissive und absorptive Natur von Nanoplättchen. TEM-Bilder (…

Discussion

Das Produkt dieser Synthese sind kolloidale Bleihalogenid-Nanoplättchen, die von Alkylammoniumhalogenid-Oberflächenliganden gekrönt werden (Abbildung 1a). Abbildung 1b zeigt das synthetische Verfahren der kolloidalen Perowskit-Nanoplättchen über Liganden-unterstützte Rezipit. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass konstituierende Vorläufersalze in einem polaren Lösungsmittel DMF in spezifischen Verhältnissen für die gewünschte Dicke und Zusammensetzu…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde vom U.S. Department of Energy, Office of Science, Basic Energy Sciences (BES) unter der Nummer DE-SC0019345 unterstützt. Seung Kyun Ha wurde teilweise vom Stipendium der Kwanjeong Education Foundation Overseas Doctoral Program unterstützt. Diese Arbeit stützte sich auf die MRSEC Shared Experimental Facilities am MIT, unterstützt von der National Science Foundation unter der Nummer DMR-08-19762. Wir danken Eric Powers für die Unterstützung beim Nachweis und der Bearbeitung.

Materials

Equipment
365nm fiber-coupled LED Thorlabs M365FP1 Excitation source (Photoluminescence)
Avantes fiber-optic spectrometer Avantes AvaSpec-2048XL Photoluminescence detector (Photoluminescence spectra)
Cary 5000 Agilent Technologies UV-Vis spectrophotometer (Absorption spectra)
FEI Tecnai G2 Spirit Twin TEM FEI Company Transmission electron microscopy (TEM) operating at 120kV
PANalytical X'Pert Pro MPD Malvern Panalytical X-ray diffraction (XRD) operating at 45 kV and 40 mA with a copper radiation source.
Materials
n-butylammonium bromide (BABr) GreatCell Solar MS305000-50G
n-butylammonium chloride (BACl) Fisher Scientific B071025G butylamine hydrochloride
n-butylammonium iodide (BAI) Sigma-Aldrich 805874-25G
N,N-dimethylforamide (DMF) Sigma-Aldrich 227056-1L Anhydrous, 99.8%
n-dodecylammonium bromide (DDABr) GreatCell Solar MS300880-05
formamidinium bromide (FABr) GreatCell Solar MS350000-100G
formamidinium iodide (FAI) GreatCell Solar MS150000-100G
n-hexylammonium bromide (HABr) GreatCell Solar MS300860-05
lead bromide (PbBr2) Sigma-Aldrich 398853-5G .99.999%
lead chloride (PbCl2) Sigma-Aldrich 268-690-5G 98%
lead iodide (PbI2) solution Sigma-Aldrich 795550-10ML 0.55M in DMF
methylammonium bromide (MABr) GreatCell Solar MS301000-100G
methylammonium iodide (MAI) GreatCell Solar MS101000-100G
n-octylammonium bromide (OABr) GreatCell Solar MS305500-50G
n-octylammonium chloride (OACl) Fisher Scientific O04841G octylamine hydrochloride
n-octylammonium iodide (OAI) GreatCell Solar MS105500-50G
iso-pentylammonium bromide (i-PABr) GreatCell Solar MS300710-05
toluene Sigma-Aldrich 244511-1L Anhydrous, 99.8%
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Ha, S. K., Tisdale, W. A. Facile Synthesis of Colloidal Lead Halide Perovskite Nanoplatelets via Ligand-Assisted Reprecipitation. J. Vis. Exp. (152), e60114, doi:10.3791/60114 (2019).
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