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

التوليف facile من الرصاص الغرويه Halide Perovskite النانو الصفائح الدموية عن طريق Ligand بمساعده أعاده هطول الامطار

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

Summary

يوضح هذا العمل سهل الغرفة-تركيب درجه الحرارة من الغرويه الكم المحصورة الرصاص هاليد perovskite الصفائح الدموية بواسطة ligand بمساعده طريقه أعاده هطول الامطار. الصفيحات النانويه التوليف تظهر الميزات البصرية الضيقة طيفيا والقدرة الطيفية المستمرة في جميع انحاء نطاق مرئية من خلال تغيير تكوين وسمك.

Abstract

في هذا العمل ، ونحن نظهر طريقه سهل لالغرويه الرصاص هاليد perovskite تخليق النانويه (الصيغة الكيميائية: l2[abx3]n-1BX4، l: butylammonium و اوكتيلامونيوم ، ا: ميثيل الأمونيوم أو فورميدينيوم ، ب: الرصاص ، X: بروميد ويوديد ، n: عدد [BX6]4-ثمانيه السطوح الطبقات في اتجاه سماكه الصفيحات النانويه) عن طريق المساعدة علي الترسيب بالاربطه. يتم اعداد الحلول الفردية السلائف perovskite عن طريق حل كل الملح المكونة النانو في ن ، ن-ديميثيلفوراميد (DMF) ، وهو المذيبات العضوية القطبية ، ومن ثم الاختلاط في نسب محدده لسمك نانوصفائح المستهدفة وتكوينها. مره واحده يتم إسقاط الحل السلائف المختلطة في تولوين غير القطبية ، والتغير المفاجئ في الذوبان يؤدي إلى تبلور لحظيه من الصفائح الدموية مع يغاندس السطح المتجه إلى الأرض التي توفر الاستقرار الغرويه. وتكشف أطياف الضوء الضوئي والامتصاص عن الميزات المحدودة الكمية والمحصورة بقوة. الاشعه السينية والمجهر الكترون انتقال تاكيد الهيكل ثنائي الابعاد لصفائح النانو. وعلاوة علي ذلك ، ونحن نثبت ان الفجوة الفرقة من الصفيحات النانو perovskite يمكن ضبطها بشكل مستمر في النطاق المرئي من خلال متفاوتة من قياس الانحناء من أيونات الهاليد (ق). وأخيرا ، فاننا نظهر مرونة طريقه أعاده هطول الامطار التي تساعد علي الربط باليد عن طريق إدخال أنواع متعددة مثل الاغطيه السطحية المتوجه. وتمثل هذه المنهجية اجراء بسيطا لاعداد تشتت أشباه الموصلات الغرويه ثنائيه الابعاد.

Introduction

في العقد الماضي ، وتصنيع الرصاص هاليد perovskites الخلايا الشمسية1،2،3،4،5، 6 وقد سلط الضوء بشكل فعال علي خصائص ممتازة لهذا ماده أشباه الموصلات ، بما في ذلك طويلة انتشار الناقل أطوال7،8،9،10، التركيبية tunability4،5،11 والتوليف منخفض التكلفة12. علي وجه الخصوص ، فان الطبيعة الفريدة للتسامح العيب13،14 يجعل perovskites الرصاص هاليد مختلفه أساسا من أشباه الموصلات الأخرى ، التالي واعده للغاية للتطبيقات الضوئية الجيل القادم.

بالاضافه إلى الخلايا الشمسية ، وقد ثبت perovskites الرصاص هاليد لجعل الاجهزه الضوئية ممتازة مثل الصمامات الثنائية الباعثة علي الضوء6،15،16،17،18، 19،20،21،22، الليزر23،24،25، والفوتودورات26،27، 28– خصوصا, عندما أعدت في شكل نانوكريستالس الغرويه18,29,30,31,32,33,34, 35،36،37،38،39،40،41،42،43، الرصاص قد يحمل هاليد perovskites قويه الكم وعازله الحبس ، والطاقة الكبيرة ملزمه44،45، ومشرق التلالؤ17،19 جنبا إلى جانب مع حل سهل التجهيز. وذكرت مختلف هندسي بما في ذلك الكم النقاط29,30,31,32, nanorods33,34 والصفيحات النانويه18, 35،36،37،38،39،40،41،43 مزيد من التدليل علي شكل توبيليتي من الرصاص هاليد perovskite nanocrystals.

ومن بين تلك نانوكريستالس ، الغرويه ثنائيه الابعاد (2d) الرصاص الهاليد perovskites ، أو “الصفيحات النانو perovskites” ، واعده خصوصا للتطبيقات التي ينبعث منها الضوء بسبب الحجز القوي للناقلات تهمه ، كبيره اكسيتون ملزمه الطاقة الوصول إلى تصل إلى مئات من44mev ، والانبعاثات الضيقة طيفي من الفرق سمك-نقيه من الصفائح الدقيقة39. بالاضافه إلى ذلك ، ذكرت الانبعاثات متباينة الخواص ل 2d perovskite نانوكريستوالس46 وغيرها من أشباه الموصلات 2d47،48 يسلط الضوء علي امكانيه تعظيم الكفاءة outcoupling من المستندة إلى النانو perovskite أجهزه باعثه علي الضوء.

هنا ، ونحن نظهر بروتوكول لبسيطه ، عالميه ، غرفه درجه حرارة التوليف من الغرويه الرصاص هاليد perovskite الصفائح الدموية عن طريق تقنيه أعاده هطول الامطار بمساعده ligand ،36،38،49. وتظهر الصفائح النانويه perovskite التي تتضمن يوديد و/أو الأيونات الهاليد لبروميد الميثيل ، ميثيل الأمونيوم أو فورميدسينينيوم العضوية ، ومتغيرة العضوية يغاندس السطح. وتناقش إجراءات السيطرة علي الطاقة الاستيعابية والانبعاثات ونقاء سمك التشتت الغرويه.

Protocol

ملاحظه: سيتم استخدام التدوينات ابسط من ‘ن = 1 BX ‘ و ‘ن = 2 abx ‘ من هنا بدلا من الصيغة الكيميائية المعقدة ل2bx4 و l2[abx3] bx4، علي التوالي. لتحسين الاستقرار والخصائص البصرية من الصفائح الدموية الناتجة perovskite ، فمن المستحسن لإكمال الاجراء بأكمله تحت ظروف خاملة<sup class…

Representative Results

التوضيح التخطيطي لصفائح النانو perovskite واجراء التوليف يعطي لمحه عامه عن المواد والتفاصيل الاصطناعية (الشكل 1). صور من المحاليل النانويه perovskite الغرويه تحت الضوء المحيط والاشعه فوق البنفسجية (الشكل 2) ، جنبا إلى جنب مع التلالؤ الضوئي والطيف الامتصاص (<strong class="xfig…

Discussion

المنتج من هذا التوليف هو الغرويه الرصاص النانو هاليد التي توجها السطوح السطحية الطحينية الكيلامومونيوم (الشكل 1a). يوضح الشكل 1b الإجراءات التركيبية لصفائح النانو الغرويه perovskite عن طريق أعاده هطول الامطار بمساعده ligand. وباختصار ، تم حل أملاح السلائف التاسيسي?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

وقد دعم هذا العمل وزاره الطاقة الامريكيه ، مكتب العلوم ، علوم الطاقة الاساسيه (BES) تحت رقم الجائزة SC0019345. وكان سونغ كيون ها مدعوما جزئيا بمنحه برنامج الدكتوراه في الخارج من مؤسسه كوانجيونج التعليمية. وقد استخدم هذا العمل المرافق التجريبية المشتركة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، بدعم من المؤسسة الوطنية للعلوم تحت رقم الجائزة DMR-08-19762. نشكر اريك باورز للمساعدة في التدقيق والتحرير.

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

Keywords: 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