JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

Facile syntes av kolloidalt bly Halid Perovskite Nanotrombocyter via ligand-Assisted Renederbörd

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

Summary

Detta arbete visar facile rumstemperatur syntes av kolloidal Quantum-slutna bly Halid perovskit nanotrombocyter med ligand-Assisted renederbörd metod. Syntetiserade nanotrombocyter visar spektralt smala optiska egenskaper och kontinuerlig spektral inställnings i hela det synliga området genom att variera sammansättningen och tjocklekar.

Abstract

I detta arbete, vi visar en facile metod för kolloidalt bly Halid perovskit nanotrombocyt syntes (kemisk formel: L2[ABX3]n-1BX4, l: butylammonium och octylammonium, a: methylammonium eller formamidinium, B: bly, X: bromid och iodide, n: antal [BX6]4- oktaedriska skikt i riktning mot nanotrombocyter tjocklek) via ligand-Assisted renederbörd. Individuella perovskit prekursorer lösningar bereds genom att lösa varje nanotrombocyter beståndsdel salt i n, n-dimetylformamid (DMF), som är en Polar organiskt lösningsmedel, och sedan blanda i specifika förhållanden för riktade nanotrombocyter tjocklek och sammansättning. När den blandade prekursorer-lösningen tappas i nonpolar toluen inducerar den plötsliga förändringen i lösligheten den momentana kristalliseringen av nanotrombocyter med ytbundna alkylammoniumhalidligander som ger kolloidalt stabilitet. Photoluminescence och absorption Spectra avslöjar emissiva och starkt Quantum-slutna funktioner. Röntgendiffraktion och transmissionselektronmikroskopi bekräfta den tvådimensionella strukturen av nanotrombocyter. Dessutom visar vi att bandet gap perovskit nanotrombocyter kan kontinuerligt trimmas i det synliga området genom att variera stökiometrin av metallhalogenlampor ion (s). Slutligen visar vi flexibiliteten i ligandassisterad renederbördsmetod genom att introducera flera arter som yttak-ligander. Denna metod är en enkel procedur för att förbereda dispersioner av emissiva 2D kolloidal halvledare.

Introduction

Under det senaste decenniet, tillverkning av bly Halid perovskiter solceller1,2,3,4,5,6 har effektivt belyst de utmärkta egenskaperna hos denna halvledarmaterial, inklusive långa diffusions längder7,8,9,10, kompositions inställnings4,5,11 och lågkostnads syntes12. I synnerhet den unika karaktären av defekt tolerans13,14 gör bly metallhalogenlampor perovskiter fundamentalt skiljer sig från andra halvledare och därmed mycket lovande för nästa generations optoelektroniska applikationer.

Förutom solceller, bly halogenider perovskiter har visat sig göra utmärkta optoelektroniska enheter såsom lysdioder6,15,16,17,18, 19,20,21,22, lasrar23,24,25och photodetektorerna26,27, 28. Särskilt, när de bereds i form av kolloidalt nanokristaller18,29,30,31,32,33,34, 35,36,37,38,39,40,41,42,43, lead metallhalogenlampor perovskiter kan uppvisa stark Quantum-och dielektrisk-instängdhet, stora Exciton bindande energi44,45, och ljusa luminiscens17,19 tillsammans med facile lösning processbarhet. Olika rapporterade geometrier inklusive kvantprickar29,30,31,32, nanorör33,34 och nanotrombocyter18, 35,36,37,38,39,40,41,43 ytterligare demonstrera form inställnings av bly Halid perovskit nanocrystals.

Bland de nanocrystals, kolloidal tvådimensionell (2D) bly Halid perovskites, eller “Perovskite nanotrombocyter”, är särskilt lovande för ljus avger applikationer på grund av stark förlossning av laddningsbärare, stora Exciton bindande energi når upp till hundratals meV44, och spektralt smala utsläpp från tjocklek-rena ensembler av nanotrombocyter39. Dessutom, anisotropisk emission rapporteras för 2D perovskit nanokristaller46 och andra 2D halvledare47,48 belyser potentialen för att maximera utkoppling effektivitet från perovskit nanotrombocytbaserade ljusavgivande anordningar.

Här visar vi ett protokoll för enkel, universell, rumstemperatur syntes av kolloidal bly Halid perovskit nanotrombocyter via en ligand-Assisted renederbörd teknik36,38,49. Perovskite-nanotrombocyter som innehåller jodid och/eller bromid, metylammonium eller formamidinium organiska katjoner, och variabla organiska ytligander demonstreras. Förfaranden för att kontrollera absorption och utsläpp energi och tjocklek renhet av kolloidalt dispersion diskuteras.

Protocol

Anmärkning: enklare beteckningar för ‘n = 1 BX ‘ och ‘n = 2 ABX ‘ kommer att användas härifrån i stället för den komplexa kemiska formeln för l2BX4 och l2[ABX3] BX4, respektive. För bättre stabilitet och optiska egenskaper hos resulterande perovskit nanotrombocyter, det rekommenderas att slutföra hela förfarandet under inert villkor49 (dvs, en kväve glovebox). 1. beredning av perovskit n…

Representative Results

Schematisk illustration av perovskit nanotrombocyter och syntes förfarande ger en överblick av materialet och syntetiska detaljer (figur 1). Bilder av kolloidal perovskit nanotrombocytlösningar under omgivande ljus och UV (figur 2), kombinerat med fotoluminescens och Absorptionsspektra (figur 3) ytterligare bekräfta den emissiva och absorptive karaktären av nanotrombocyter. TEM-bilder (figur 4) och…

Discussion

Produkten av denna syntes är kolloidalt bly Halid nanotrombocyter utjämnade av alkylammonium metallhalogenlampor yta ligander (figur 1a). Figur 1b visar det syntetiska ingreppet av kolloidalt perovskit-nanotrombocyter via ligand-assisterad renederbörd. Sammanfattnings, upplöstes konstituerande prekursor salter i en Polar lösningsmedel DMF i specifika förhållanden för önskad tjocklek och sammansättning, och sedan injiceras i toluen, som är nonpolar. P?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete stöddes av det amerikanska energidepartementet, Office of Science, grundläggande Energivetenskaper (BES) under tilldelnings nummer DE-SC0019345. Seung Kyun ha stöddes delvis av Kwanjeong Education Foundation Overseas doktors program stipendium. Detta arbete har gjort användningen av MRSEC gemensamma experimentella anläggningar på MIT, med stöd av National Science Foundation under tilldelning nummer DMR-08-19762. Vi tackar Eric Powers för hjälp med korrektur och redigering.

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%
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kim, H. S., et al. Lead iodide perovskite sensitized all-solid-state submicron thin film mesoscopic solar cell with efficiency exceeding 9%. Scientific Reports. 2, 591 (2012).
  2. Zhou, H., et al. Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells. Science. 345 (6196), 542-546 (2014).
  3. Yang, W. S., et al. Iodide management in formamidinium-lead-halide–based perovskite layers for efficient solar cells. Science. 356 (6345), 1376-1379 (2017).
  4. Saliba, M., et al. Cesium-containing triple cation perovskite solar cells: improved stability, reproducibility and high efficiency. Energy & Environmental Science. 9 (6), 1989-1997 (2016).
  5. Jeon, N. J., et al. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature. 517 (7535), 476-480 (2015).
  6. Stranks, S. D., Snaith, H. J. Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices. Nature Nanotechnology. 10 (5), 391-402 (2015).
  7. Ma, L., et al. Carrier diffusion lengths of over 500 nm in lead-free perovskite CH3NH3SnI3 films. Journal of the American Chemical Society. 138 (44), 14750-14755 (2016).
  8. Dong, Q., et al. Electron-hole diffusion lengths> 175 μm in solution grown CH3NH3PbI3 single crystals. Science. 347 (6225), 967-970 (2015).
  9. Stranks, S. D., et al. Electron-Hole Diffusion Lengths Exceeding 1 Micrometer in an Organometal Trihalide Perovskite Absorber. Science. 342 (6156), 341-344 (2013).
  10. Shi, D., et al. Low trap-state density and long carrier diffusion in organolead trihalide perovskite single crystals. Science. 347 (6221), 519-522 (2015).
  11. McMeekin, D. P., et al. A mixed-cation lead mixed-halide perovskite absorber for tandem solar cells. Science. 351 (6269), 151-155 (2016).
  12. Saidaminov, M. I., et al. High-quality bulk hybrid perovskite single crystals within minutes by inverse temperature crystallization. Nature Communications. 6, 7586 (2015).
  13. Kovalenko, M. V., Protesescu, L., Bodnarchuk, M. I. Properties and potential optoelectronic applications of lead halide perovskite nanocrystals. Science. 358 (6364), 745-750 (2017).
  14. Akkerman, Q. A., Rainò, G., Kovalenko, M. V., Manna, L. Genesis, challenges and opportunities for colloidal lead halide perovskite nanocrystals. Nature Materials. 17, 394-405 (2018).
  15. Gangishetty, M. K., Hou, S., Quan, Q., Congreve, D. N. Reducing Architecture Limitations for Efficient Blue Perovskite Light-Emitting Diodes. Advanced Materials. 30 (20), 1706226 (2018).
  16. Congreve, D. N., et al. Tunable Light-Emitting Diodes Utilizing Quantum-Confined Layered Perovskite Emitters. ACS Photonics. 4 (3), 476-481 (2017).
  17. Kumar, S., et al. Ultrapure Green Light-Emitting Diodes Using Two-Dimensional Formamidinium Perovskites: Achieving Recommendation 2020 Color Coordinates. Nano Letters. 17 (9), 5277-5284 (2017).
  18. Kumar, S., et al. Efficient blue electroluminescence using quantum-confined two-dimensional perovskites. ACS Nano. 10 (10), 9720-9729 (2016).
  19. Pan, J., et al. Bidentate Ligand-Passivated CsPbI3 Perovskite Nanocrystals for Stable Near-Unity Photoluminescence Quantum Yield and Efficient Red Light-Emitting Diodes. Journal of the American Chemical Society. 140 (2), 562-565 (2018).
  20. Kim, Y. H., et al. Multicolored organic/inorganic hybrid perovskite light-emitting diodes. Advanced Materials. 27 (7), 1248-1254 (2015).
  21. Pan, J., et al. Highly Efficient Perovskite-Quantum-Dot Light-Emitting Diodes by Surface Engineering. Advanced Materials. 28 (39), 8718-8725 (2016).
  22. Tsai, H., et al. Stable Light-Emitting Diodes Using Phase-Pure Ruddlesden–Popper Layered Perovskites. Advanced Materials. 30 (6), 1704217 (2018).
  23. Sutherland, B. R., Hoogland, S., Adachi, M. M., Wong, C. T., Sargent, E. H. Conformal organohalide perovskites enable lasing on spherical resonators. ACS Nano. 8 (10), 10947-10952 (2014).
  24. Deschler, F., et al. High photoluminescence efficiency and optically pumped lasing in solution-processed mixed halide perovskite semiconductors. The Journal of Physical Chemistry Letters. 5 (8), 1421-1426 (2014).
  25. Zhu, H., et al. Lead halide perovskite nanowire lasers with low lasing thresholds and high quality factors. Nature Materials. 14 (6), 636-642 (2015).
  26. Fang, Y., Huang, J. Resolving weak light of sub-picowatt per square centimeter by hybrid perovskite photodetectors enabled by noise reduction. Advanced Materials. 27 (17), 2804-2810 (2015).
  27. Shen, L., et al. A Self-Powered, Sub-nanosecond-Response Solution-Processed Hybrid Perovskite Photodetector for Time-Resolved Photoluminescence-Lifetime Detection. Advanced Materials. 28 (48), 10794-10800 (2016).
  28. Dou, L., et al. Solution-processed hybrid perovskite photodetectors with high detectivity. Nature Communications. 5, 5404 (2014).
  29. Protesescu, L., et al. Nanocrystals of Cesium Lead Halide Perovskites (CsPbX(3), X = Cl, Br, and I): Novel Optoelectronic Materials Showing Bright Emission with Wide Color Gamut. Nano Letters. 15 (6), 3692-3696 (2015).
  30. Schmidt, L. C., et al. Nontemplate synthesis of CH3NH3PbBr3 perovskite nanoparticles. Journal of the American Chemical Society. 136 (3), 850-853 (2014).
  31. Imran, M., et al. Shape-Pure, Nearly Monodispersed CsPbBr3 Nanocubes Prepared Using Secondary Aliphatic Amines. Nano Letters. 18 (12), 7822-7831 (2018).
  32. Dong, Y., et al. Precise Control of Quantum Confinement in Cesium Lead Halide Perovskite Quantum Dots via Thermodynamic Equilibrium. Nano Letters. 18 (6), 3716-3722 (2018).
  33. Sun, S., Yuan, D., Xu, Y., Wang, A., Deng, Z. Ligand-mediated synthesis of shape-controlled cesium lead halide perovskite nanocrystals via reprecipitation process at room temperature. ACS Nano. 10 (3), 3648-3657 (2016).
  34. Zhang, D., Eaton, S. W., Yu, Y., Dou, L., Yang, P. Solution-phase synthesis of cesium lead halide perovskite nanowires. Journal of the American Chemical Society. 137 (29), 9230-9233 (2015).
  35. Weidman, M. C., Goodman, A. J., Tisdale, W. A. Colloidal halide perovskite nanoplatelets: An exciting new class of semiconductor nanomaterials. Chemistry of Materials. 29 (12), 5019-5030 (2017).
  36. Sichert, J. A., et al. Quantum Size Effect in Organometal Halide Perovskite Nanoplatelets. Nano Letters. 15 (10), 6521-6527 (2015).
  37. Bohn, B. J., et al. Boosting Tunable Blue Luminescence of Halide Perovskite Nanoplatelets through Postsynthetic Surface Trap Repair. Nano Letters. 18 (8), 5231-5238 (2018).
  38. Weidman, M. C., Seitz, M., Stranks, S. D., Tisdale, W. A. Highly Tunable Colloidal Perovskite Nanoplatelets Through Variable Cation, Metal, and Halide Composition. ACS Nano. 10 (8), 7830-7839 (2016).
  39. Bekenstein, Y., Koscher, B. A., Eaton, S. W., Yang, P., Alivisatos, A. P. Highly Luminescent Colloidal Nanoplates of Perovskite Cesium Lead Halide and Their Oriented Assemblies. Journal of the American Chemical Society. 137 (51), 16008-16011 (2015).
  40. Shamsi, J., et al. Colloidal synthesis of quantum confined single crystal CsPbBr3 nanosheets with lateral size control up to the micrometer range. Journal of the American Chemical Society. 138 (23), 7240-7243 (2016).
  41. Vybornyi, O., Yakunin, S., Kovalenko, M. V. Polar-solvent-free colloidal synthesis of highly luminescent alkylammonium lead halide perovskite nanocrystals. Nanoscale. 8 (12), 6278-6283 (2016).
  42. Huang, H., et al. Colloidal lead halide perovskite nanocrystals: synthesis, optical properties and applications. NPG Asia Materials. 8 (11), e328 (2016).
  43. Tyagi, P., Arveson, S. M., Tisdale, W. A. Colloidal Organohalide Perovskite Nanoplatelets Exhibiting Quantum Confinement. J Phys Chem Lett. 6 (10), 1911-1916 (2015).
  44. Saidaminov, M. I., Mohammed, O. F., Bakr, O. M. Low-Dimensional-Networked Metal Halide Perovskites: The Next Big Thing. ACS Energy Letters. 2 (4), 889-896 (2017).
  45. Zheng, K., et al. Exciton binding energy and the nature of emissive states in organometal halide perovskites. The Journal of Physical Chemistry Letters. 6 (15), 2969-2975 (2015).
  46. Jurow, M. J., et al. Manipulating the Transition Dipole Moment of CsPbBr3 Perovskite Nanocrystals for Superior Optical Properties. Nano Letters. , (2019).
  47. Gao, Y., Weidman, M. C., Tisdale, W. A. CdSe Nanoplatelet Films with Controlled Orientation of their Transition Dipole Moment. Nano Letters. 17 (6), 3837-3843 (2017).
  48. Schuller, J. A., et al. Orientation of luminescent excitons in layered nanomaterials. Nature Nanotechnology. 8 (4), 271-276 (2013).
  49. Ha, S. K., Mauck, C. M., Tisdale, W. A. Towards Stable Deep-Blue Luminescent Colloidal Lead Halide Perovskite Nanoplatelets: Systematic Photostability Investigation. Chemistry of Materials. 31 (7), 2486-2496 (2019).
  50. Paritmongkol, W., Dahod, N., Mao, N., Zheng, S. L., Tisdale, W. Synthetic Variation and Structural Trends in Layered Two-Dimensional Alkylammonium Lead Halide Perovskites. ChemRxiv. , (2019).
  51. Stoumpos, C. C., et al. Ruddlesden–Popper hybrid lead iodide perovskite 2D homologous semiconductors. Chemistry of Materials. 28 (8), 2852-2867 (2016).
  52. Akkerman, Q. A., et al. Solution Synthesis Approach to Colloidal Cesium Lead Halide Perovskite Nanoplatelets with Monolayer-Level Thickness Control. Journal of the American Chemical Society. 138 (3), 1010-1016 (2016).
  53. Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells. Journal of the American Chemical Society. 131 (17), 6050-6051 (2009).
  54. Bischak, C. G., et al. Origin of reversible photoinduced phase separation in hybrid perovskites. Nano Letters. 17 (2), 1028-1033 (2017).
  55. Mauck, C. M., Tisdale, W. A. Excitons in 2D Organic–Inorganic Halide Perovskites. Trends in Chemistry. , (2019).
  56. Gong, X., et al. Electron-phonon interaction in efficient perovskite blue emitters. Nat. Mater. 17 (6), 550-556 (2018).

Tags

Colloidal Lead Halide Perovskite NanoplateletsLigand-assisted ReprecipitationRoom Temperature SynthesisCompositional FlexibilityMethylammonium Lead BromideMethylammonium Lead IodideMixed Halide CompositionsPhotoluminescenceAbsorption SpectraTransmission Electron MicroscopyX-ray Diffraction
check_url/60114?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image