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화학

Síntese de facile de Nanoplaquetas perovskite coloidal da ligação do Halide através de reprecipitação ligand-ajudada

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

Summary

Este trabalho demonstra a síntese do quarto-temperatura do facile de nanoplaquetas de perovskita do Halide da ligação Quantum-confinada coloidal pelo método ligand-ajudado da reprecipitação. As nanoplaquetas sintetizadas mostram características ópticas espectralmente estreitas e uma tunabilidade espectral contínua em toda a faixa visível, variando a composição e as espessuras.

Abstract

Neste trabalho, Nós demonstramos um método facile para a síntese coloidal do nanoplaqueta perovskita do Halide da ligação (fórmula química: l2[ABX3]n-1BX4, l: n e octylammonium, a: methylammonium ou formamidinium, B: chumbo, X: brometo e iodeto, n: número de camadas de [BX6]4- octaédricos na direção da espessura de nanoplaquetas) via reprecipitação assistida por ligante. Soluções precursoras de perovskita individuais são preparadas dissolvendo cada sal constituinte de nanoplaquetas em N, N-dimetilformamida (DMF), que é um solvente orgânico polar, e depois misturando em proporções específicas para a espessura e composição de nanoplaquetas direcionadas. Uma vez que a solução precursora mista é deixada cair em tolueno não polar, a mudança abrupta na solubilidade induz a cristalização instantânea de nanoplaquetas com ligantes de alquilamónio de superfície ligado que proporcionam estabilidade coloidal. Os espectros da fotoluminescência e da absorção revelam características emissive e fortemente Quantum-confinadas. A difração de raios X e a microscopia eletrônica de transmissão confirmam a estrutura bidimensional das nanoplaquetas. Além disso, Nós demonstramos que a abertura da faixa de nanoplaquetas do perovskita pode continuamente ser ajustada na escala visível variando a estequiometria do íon do Halide (s). Finalmente, nós Demonstramos a flexibilidade do método ligand-ajudado da reprecipitação introduzindo a espécie múltipla como ligands Surface-tampando. Esta metodologia representa um procedimento simples para preparar dispersões de semicondutores coloidais 2D emissivos.

Introduction

Na última década, a fabricação de células solares de Halide de chumbo perovskitas1,2,3,4,5,6 realçou efetivamente as excelentes propriedades deste material do semicondutor, incluindo comprimentos longos7,8,9,10da difusão do portador, ajuste composicional4,5,11 e síntese de baixo custo12. Em particular, a natureza única da tolerância de defeitos13,14faz com que o Halide perovskitas de chumbo seja fundamentalmente diferente de outros semicondutores e, portanto, altamente promissor para aplicações optoeletrônicas de próxima geração.

Além do que as pilhas solares, os perovskitas do Halide da ligação foram mostrados para fazer dispositivos optoelectronic excelentes tais como diodos luminescentes6,15,16,17,18, 19,20,21,22, lasers23,24,25, e photodetectores26,27, a 28. Especialmente, quando preparados a forma de nanocristais coloidais18,29,30,31,32,33,34, 35,36,37,38,39,40,41,42,43, chumbo os perovskitas de Halide podem expor o Quantum-e o Dielectric-confinamento forte, grande energiaobrigatória 44do exciton,45, e luminescência brilhante17,19 junto com asolução defacile Processabilidade. Várias geometrias relatadas, incluindo pontos quânticos29,30,31,32, Nanorods33,34 e nanoplaquetas18, 35,36,37,38,39,40,41,43 demonstre ainda mais a tunabilidade da forma de nanocristais de Halide perovskita de chumbo.

Entre esses nanocristais, os perovskites de iodetos bidimensionais coloidais (2D), ou “nanoplaquetas perovskita”, são especialmente promissores para aplicações luminescentes devido ao forte confinamento de portadores de carga, grande energia de ligação de exciton atingindo até centenas de MeV44, e a emissão espectralmente estreita dos conjuntos espessura-puros de nanoplaquetas39. Adicionalmente, a emissão anisotrópica relatada para nanocristais 2D do perovskita46 e outros semicondutores 2D47,48 destaca o potencial de maximizar a eficiência do acoplamento do perovskita nanoplaqueta-baseado dispositivos emissores de luz.

Aqui, Nós demonstramos um protocolo para a síntese simples, universal, da quarto-temperatura de nanoplaquetas coloidal do perovskita do Halide da ligação através de uma técnica ligand-ajudada do reprecipitação36,38,49. As nanoplaquetas de perovskite que incorporam o iodeto e/ou os anions do Halide do brometo, os cátions orgânicos do methylammonium ou do formamidinium, e os ligantes orgânicos variáveis da superfície são demonstrados. Os procedimentos para controlar a energia da absorção e da emissão e a pureza da espessura da dispersão coloidal são discutidos.

Protocol

Nota: as notações mais simples de ‘n = 1 BX ‘ e ‘n = 2 ABX ‘ serão usadas a partir daqui, em vez da fórmula química complexa de l2BX4 e l2[ABX3] BX4, respectivamente. Para uma melhor estabilidade e propriedades ópticas de nanoplaquetas resultantes de perovskita, recomenda-se completar todo o procedimento condições inertes49 (i.e., um Glovebox de nitrogênio). 1. preparação da solução prec…

Representative Results

A ilustração esquemática de nanoplaquetas perovskita e o procedimento de síntese dão uma visão geral dos detalhes materiais e sintéticos (Figura 1). Imagens de soluções de nanoplaquetas coloidais perovskita luz ambiente e UV (Figura 2), combinadas com fotoluminescência e espectros de absorção (Figura 3) confirmam ainda a natureza emissiva e absortiva das nanoplaquetas. As imagens de TEM (Figura 4</st…

Discussion

O produto desta síntese é nanoplaquetas coloidal do Halide da ligação tampado por ligantes da superfície do Halide do amidobenzoate (Figura 1a). A Figura 1b demonstra o procedimento sintético de nanoplaquetas coloidais perovskita via reprecipitação assistida por ligantes. Para resumir, os sais precursor constituintes foram dissolvidos em um DMF solvente polar em proporções específicas para a espessura desejada e composição, e depois injetado em tolu…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho foi apoiado pelo departamento de energia dos EUA, escritório de ciência, Ciências energéticas básicas (BES) o número DE prêmio DE-SC0019345. Seung Kyun ha foi parcialmente apoiado pelo Kwanjeong Education Foundation programa de doutorado no exterior Scholarship. Este trabalho fez uso das instalações experimentais compartilhadas do MRSEC no MIT, apoiadas pela National Science Foundation o número de premiação DMR-08-19762. Agradecemos a Eric Powers por assistência com provas e edição.

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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