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

Поверхностный синтез коллоидного свинца Галид Перовскит Наноплатовы через Ligand-Assisted Reprecipitation

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

Summary

Эта работа демонстрирует поверхностный комнатно-температурный синтез коллоидных квантовых свинцовых перовскитных наноплитетов с помощью лиганда методом reprecipitationed. Синтезированные нанопластиночки показывают спектрально узкие оптические особенности и непрерывную спектральную настройку во всем видимом диапазоне, изменяя состав и толщину.

Abstract

В этой работе мы демонстрируем легкий метод для коллоидного свинца галида перовскитна нанопластины синтеза (химическая формула: L2ABX3n-1BX4, L: butylammonium и octylammonium, A: метилламмоний или формамидиниум, B: свинец, X: бромид и йодид, n: число «BX6»4- октагенрные слои в направлении толщины наноплатятки) через ligand-assisted reprecipitation. Индивидуальные решения перовскитных прекурсоров готовятся путем растворения каждой нанопластинок, составляющей соль в N, N-dimethylformamide (DMF), которая является полярным органическим растворителем, а затем смешиваются в специфических соотношениях для целевой толщины нанопластинок и композиции. После того, как раствор смешанного прекурсора сбрасывается в неполярный толуол, резкое изменение растворимости вызывает мгновенную кристаллизацию нанопластинок с поверхностными алкиломоний галидными лигандами, обеспечивающими коллоидную стабильность. Фотолюминесценция и абсорбция спектров выявить эмиссионные и сильно квантовых ограниченных особенностей. Рентгеновская дифракция и электронная микроскопия передачи подтверждают двумерную структуру нанопластинок. Кроме того, мы демонстрируем, что зазор перовскитных нанопластинок может непрерывно настраиваться в видимом диапазоне путем изменения стойихиометрии иона галида (ы). Наконец, мы демонстрируем гибкость метода реприза, помогающего лиганду, внедряя несколько видов в качестве поверхностных лигандов. Эта методология представляет собой простую процедуру для подготовки дисперсий эмиссионных 2D коллоидных полупроводников.

Introduction

В последнее десятилетие, изготовление свинца галид перовскиты солнечных элементов1,2,3,4,5,6 эффективно подчеркнул отличные свойства этого полупроводниковый материал, включая длиннуюдлину диффузии носителя7,8,9,10,композиционную настройку4,5,11 и недорогой синтез12. В частности, уникальный характер толерантности к дефектам13,14 делает свинцовый галид перовскиты принципиально отличается от других полупроводников и, таким образом, весьма перспективным для оптоэлектронных приложений следующего поколения.

В дополнение к солнечным батареям, свинцовые перовскиты, как было показано, делают отличные оптоэлектронные устройства, такие как светоизлучающие диоды6,15,16,17,18, 19,20,21,22,лазеры23,24,25,и фотодетекторы26,27, 28. Особенно, при приготовлении в виде коллоидных нанокристаллов18,29,30,31,32,33,34, 35,36,37,38,39,40,41,42,43,свинца галид перовскиты могут проявлять сильные квантово-и диэлектрические-заточения, большой возняцион связывающей энергии44,45,и яркий люминесценции17,19 вместе с поверхностным раствором обрабатываемость. Различные сообщили геометрии, включая квантовые точки29,30,31,32, нанороды33,34 и наноплиты18, 35,36,37,38,39,40,41,43 далее демонстрируют настройку формы свинцового палида перовскитных нанокристаллов.

Среди этих нанокристаллов, коллоидные двухмерные (2D) свинцовые перовскиты, или “перовскитные нанопластиночки”, особенно перспективны для светоизлучающих приложений из-за сильного ограничения носителей заряда, большой эксцитон связывающей энергии, достигающей до сотен meV44, и спектрально узкое излучение от толщины чистых ансамблей наноплитетов39. Кроме того, анизотропные выбросы, зарегистрированные для 2D перовскитных нанокристаллов46 и других 2D полупроводников47,48 подчеркивает потенциал максимизации эффективности из-за перовскитных нанопластинок светоизлучающих устройств.

Здесь мы демонстрируем протокол для простого, универсального, комнатно-температурного синтеза коллоидных свинцовых перовскитных наноплитетов с помощью лиганда36,38,49. Перовскитные нанопластиночки, включающие йодид и/или бромидные галидные анионы, метилламмоний или формамидин органические катионы, а также переменные органические поверхностные лиганды. Обсуждаются процедуры контроля поглощения и эмиссионной энергии и чистоты коллоидной дисперсии.

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ: Более простые обозначения ‘n n 1 BX’ и’n n 2 ABX’ будут использоваться отсюда вместо сложной химической формулы L2BX4 и L2«ABX3»BX4, соответственно. Для лучшей устойчивости и оптических свойств полученных перовскитных нанопластинок рекомендуется з…

Representative Results

Схематическая иллюстрация перовскитных нанопластинок и процедура синтеза дает обзор материала и синтетических деталей(рисунок 1). Фотографии коллоидных перовскитных нанопластинок под окружающим светом и УФ(рисунок 2),в сочетании с фотолюминесценцией ?…

Discussion

Продуктом этого синтеза является коллоидный свинцовый галид нанопластиночки ограничен алкилламмония галида поверхностных лигандов(рисунок 1a). Рисунок 1b демонстрирует синтетическую процедуру коллоидных перовскитных нанопластинок с помощью лиганда. ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана Министерством энергетики США, Управлением по науке, фундаментальным энергетическим наукам (BES) под номером премии DE-SC0019345. Сын Кын Ха была частично поддержана Кванчжон образования Фонд заморских докторской программы стипендии. Эта работа была проведена при поддержке Национального научного фонда при поддержке Национального научного фонда dMR-08-19762. Мы благодарим Эрика Пауэрса за помощь в проверке и редактировании.

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