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Chemistry

Facile sintesi di Colloidal Lead Halide Haovskite Nanoplatelets via Ligand-Assisted Reprecipitation

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

Summary

Questo lavoro dimostra una facile sintesi a temperatura ambiente delle nanoplate colloidali con alogente di piombo confinato con alogenora perovskite con metodo di riprecipitazione assistita dal ligando. Nanoplatelets sintetici mostrano caratteristiche ottiche spettrali strette e una continua suntabilità spettrale in tutta la gamma visibile variando la composizione e gli spessori.

Abstract

In questo lavoro, dimostriamo un metodo facile per la sintesi colloidale di alocato di piombo perovskite perovskite (formula chimica: L2[ABX3]n-1BX4, L: butylammonium e octillipanio, A: metilalofio o formamidinium, B: piombo, X: bromuro e iodino, n: numero di [BX6]4- strati ottahedrali nella direzione dello spessore nanoplacca) tramite riprecipitazioni assistite dal ligando. Le singole soluzioni precursori di perovskite vengono preparate sciogliendo ogni sale costituente delle nanoplase in N,N-dimetilformamide (DMF), che è un solvente organico polare, e quindi mescolando in rapporti specifici per lo spessore e la composizione mirati delle nanomisure. Una volta che la soluzione precursore mista viene lasciata cadere nel toluene non polare, il brusco cambiamento nella solubilità induce la cristallizzazione istantanea delle nanolacche con ligandi di alode alchilammonium legati alla superficie che forniscono stabilità colloidale. Gli spettri di fotoluminescenza e assorbimento rivelano caratteristiche emissive e fortemente confinate quanticamente. La diffrazione a raggi X e la microscopia elettronica di trasmissione confermano la struttura bidimensionale delle nanoplate. Inoltre, dimostriamo che la fessura della banda delle nanolastre perovskite può essere continuamente sintonizzata nella gamma visibile variando la stoichiometria degli ioni di alode. Infine, dimostriamo la flessibilità del metodo di riprecipitazione assistito dal ligando introducendo più specie come ligandi di superficie. Questa metodologia rappresenta una semplice procedura per la preparazione di dispersioni di semiconduttori colloidali 2D emissivi.

Introduction

Nell’ultimo decennio, la fabbricazione di perovskitidi alocato di piombo 1,2,3,4,5,6 ha evidenziato efficacemente le eccellenti proprietà di questo materiale semiconduttore, comprese le lunghezze lunghe di diffusione del vettore7,8,9,10, sintonizzabilità compositiva4,5,11 e sintesi a basso costo12. In particolare, la natura unica della tolleranzadifettosa 13,14 rende perovskiti di aloca di piombo fondamentalmente diversi dagli altri semiconduttori e quindi altamente promettente per le applicazioni optoelettroniche di prossima generazione.

Oltre alle celle solari, perovskiti di alocato di piombo hanno dimostrato di fare eccellenti dispositivi optoelettronici come diodi a emissione di luce6,15,16,17,18, 19,20,21,22, laser23,24,25e fotorivelatori26,27, 28. Soprattutto, se preparati sotto forma di nanocristalli colloidali18,29,30,31,32,33,34 ,34, 35,36,37,38,39,40,41,42,43, piombo le perovskiti di alode possono presentare forti perovskiti quantistici e dielettrici, grande energia legante exciton44,45e luminescenza luminosa17,19 insieme a soluzione facile Lavorabilità. Varie geometrie segnalate tra cui punti quantici29,30,31,32, nanorods33,34 e nanoplate18, 35,36,37,38,39,40,41,43 dimostrano ulteriormente la forma sintondaia di nanocristalli di perovskite di alode di piombo.

Tra questi nanocristalli, le perovskiti colloidali bidimensionali (2D) perovskite, o “nanopile perovskite”, sono particolarmente promettenti per le applicazioni che emettono luce a causa del forte confinamento dei vettori di carica, fino a centinaia di meV44, e spettrale emissione stretta da spessore-puro insieme di nanoplate39. Inoltre, l’emissione anisotropica segnalata per i nanocristalli di perovskite 2D46 e altri semiconduttori 2D47,48 evidenzia il potenziale di massimizzare l’efficienza di outaccoppiamento da nanoplatleta perovskite dispositivi che emettono luce.

Qui, dimostriamo un protocollo per la sintesi semplice, universale, a temperatura ambiente di alogente di piombo colloidale halide perovskite nanoplate attraverso una tecnica di risalita assistita da ligando36,38,49. Sono dimostrati nanoplatani di perovskite che incorporano anioni di alode di iodo e/o bromuro, cazioni organiche di metilonio o formamidinium e ligando di superficie organica variabile. Vengono discusse le procedure per il controllo dell’energia di assorbimento ed emissione e la purezza dello spessore della dispersione colloidale.

Protocol

NOTA: da qui verranno utilizzate notazioni più semplici di’n ‘ e’n ‘ abX’ invece della complessa formula chimica di L2BX4 e L2[ABX3]BX4, rispettivamente. Per una migliore stabilità e proprietà ottiche delle nanolastrline perovskite risultanti, si raccomanda di completare l’intera procedura in condizioni inerti49 (cioè un glovebox di azoto). 1. Preparazione della soluzione precursore delle nanotet…

Representative Results

L’illustrazione schematica delle nanolastrini perovskite e della procedura di sintesi fornisce una panoramica del materiale e dei dettagli sintetici (Figura 1). Immagini di soluzioni di nanolato perovskite colloidale sotto luce ambientale e UV (Figura 2), combinate con spettri di fotoluminescenza e assorbimento (Figura 3) confermano ulteriormente la natura emissiva e assorbente delle nanopiche. Le immagini TEM (…

Discussion

Il prodotto di questa sintesi è le nanolatare colloidali di alocato di piombo ricoperte da ligandi superficiali di alchilammonium (Figura 1a). La figura 1b mostra la procedura sintetica delle nanolacche perovskite colloidali tramite la risalita assistita dal ligando. Per riassumere, i sali precursori costituenti sono stati disciolti in un DMF solvente polare in rapporti specifici per lo spessore e la composizione desiderati, e poi iniettati nel toluene, che non…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato sostenuto dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, Office of Science, Basic Energy Sciences (BES) con il numero di premio DE-SC0019345. Seung Kyun Ha è stata parzialmente sostenuta dalla borsa di studio per il dottorato all’estero della Kwanjeong Education Foundation. Questo lavoro ha fatto uso delle strutture sperimentali condivise MRSEC al MIT, supportate dalla National Science Foundation con il numero di premio DMR-08-19762. Ringraziamo Eric Powers per l’assistenza con le prove e l’editing.

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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