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Chemistry

Síntesis facil de haluro de plomo coloidal Perovskite Nanoplatelets a través de la reprecipitación asistida por ligand

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

Summary

Este trabajo demuestra la síntesis fácil de temperatura ambiente de las nanoplaquetas de haluro de plomo confinado coloidal por método de reprecipitación asistida por ligando. Las nanoplaquetas sintetizadas muestran características ópticas espectralmente estrechas y una completa atún espectral en todo el rango visible variando la composición y los espesores.

Abstract

En este trabajo, demostramos un método fácil para la síntesis de nanoplaquetas de haluro de plomo coloidal perovskita (fórmula química: L2[ABX3]n-1BX4, L: butylammonium y octylammonium, A: methylamonio o formamidinium, B: plomo, X: bromuro y yoduro, n: número de [BX6]4- capas octahedral esdecir en la dirección del espesor de las nanoplaquetas) a través de la reprecipitación asistida por ligando. Las soluciones individuales precursoras de perovskita se preparan disolviendo cada sal constituyente de nanoplaquetas en N,N-dimetilformamida (DMF), que es un disolvente orgánico polar, y luego se mezclan en proporciones específicas para el espesor y la composición de nanoplaquetas dirigidas. Una vez que la solución precursora mixta se deja caer en el tolueno no polar, el cambio abrupto en la solubilidad induce la cristalización instantánea de nanoplaquetas con ligandos de halogenuro de alquilanio ligados unidos de alquilmonio ligados ligados de alquilanio ligados unidos de superficie que proporcionan estabilidad coloidal. Los espectros de fotoluminiscencia y absorción revelan características emisivas y fuertemente confinadas cuánticas. La difracción de rayos X y la microscopía electrónica de transmisión confirman la estructura bidimensional de las nanoplaquetas. Además, demostramos que la brecha de banda de las nanoplaquetas de perovskita se puede ajustar continuamente en el rango visible variando la estequiometría de los iones de halogenuros. Por último, demostramos la flexibilidad del método de reprecipitación asistida por ligando mediante la introducción de múltiples especies como ligandos de tapa de superficie. Esta metodología representa un procedimiento simple para preparar dispersiones de semiconductores coloidales 2D emisivos.

Introduction

En la última década, la fabricación de haluros de plomo perovskites células solares1,2,3,4,5,6 ha puesto de relieve efectivamente las excelentes propiedades de este material semiconductor, incluidas las longitudes de difusión de portadoras largas7,8,9,10, tunabilidad compositiva4,5,11 y síntesis de bajo costo12. En particular, la naturaleza única de la tolerancia a defectos13,14 hace que las perovskitas de halogenuros de plomo sean fundamentalmente diferentes de otros semiconductores y, por lo tanto, altamente prometedoras para aplicaciones optoelectrónicas de próxima generación.

Además de las células solares, se ha demostrado que los perovskitas de halogenuros de plomo hacen excelentes dispositivos optoelectrónicos como diodos emisores de luz6,15,16,17,18, 19,20,21,22,láseres 23,24,25, y fotodetectores26,27, 28. Especialmente, cuando se prepara en forma de nanocristales coloidales18,29,30,31,32,33,34, 35,36,37,38,39,40,41,42,43, plomo las perovskitas de halogenuros pueden exhibir un fuerte confinamiento cuántico y dieléctrico, gran energía de unión a exciton44,45y luminiscencia brillante17,19 junto con solución fácil Procesabilidad. Varias geometrías notificadas incluyendo puntos cuánticos29,30,31,32, nanorods33,34 y nanoplaquetas18, 35,36,37,38,39,40,41,43 demostrar más la tunabilidad de la forma de nanocristales de perovskita de halogenuros de plomo.

Entre esos nanocristales, los perovskitas de fletán de plomo coloidal bidimensionales (2D), o “nanoplaquetas de perovskkite”, son especialmente prometedores para aplicaciones emisoras de luz debido al fuerte confinamiento de portadores de carga, gran energía de unión a exciton que llega a hasta cientos de meV44,y emisión espectralmente estrecha de conjuntos de espesor puro de nanoplaquetas39. Además, la emisión anisotrópica reportada para los nanocristales de perovskita 2D46 y otros semiconductores 2D47,48 destaca el potencial de maximizar la eficiencia de acoplamiento de la pervskite nanoplaquetas dispositivos emisores de luz.

Aquí, demostramos un protocolo para la síntesis simple, universal, temperatura ambiente de las nanoplaquetas de perovskita de halogenuro de plomo coloidal a través de una técnica de reprecipitación asistida por ligando36,38,49. Se demuestran nanoplaquetas de perovskita que incorporan aniones de halogenuros de yoduro y/o bromuro, cationes orgánicos de metilamonio o forminmidinio, y ligandos de superficie orgánica variable. Se discuten los procedimientos para controlar la energía de absorción y emisión y la pureza del espesor de la dispersión coloidal.

Protocol

NOTA: A partir de aquí se utilizarán notaciones más sencillas de ‘n a 1 BX’ y ‘n a 2 ABX’ en lugar de la compleja fórmula química de L2BX4 y L2[ABX3]BX4, respectivamente. Para una mejor estabilidad y propiedades ópticas de las nanoplaquetas de perovskita resultantes, se recomienda completar todo el procedimiento en condiciones inertes49 (es decir, una guantera de nitrógeno). 1. Preparación de…

Representative Results

La ilustración esquemática de las nanoplaquetas de perovskita y el procedimiento de síntesis ofrece una visión general de los detalles materiales y sintéticos(Figura 1). Las imágenes de las soluciones de nanoplaquetas de perovskita coloidal bajo luz ambiental y UV(Figura 2),combinadas con espectros de fotoluminiscencia y absorción (Figura 3) confirman aún más el carácter emisivo y absorbente de las nanoplaquetas. Las imág…

Discussion

El producto de esta síntesis son nanoplaquetas de halogenuros de plomo coloidal cubiertas por ligandos superficiales de halogenuros de alquilammonio (Figura 1a). La Figura 1b muestra el procedimiento sintético de las nanoplaquetas de perovskita coloidal a través de la reprecipitación asistida por ligando. En resumen, las sales precursoras constituyentes se disolvieron en un Disolvente polar DMF en proporciones específicas para el espesor y la composición d…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, Oficina de Ciencias de la Energía, Ciencias Básicas de la Energía (BES) bajo el número de premio DE-SC0019345. Seung Kyun Ha fue parcialmente apoyado por la Beca del Programa de Doctorado en El Extranjero de la Fundación de Educación Kwanjeong. Este trabajo hizo uso de las Instalaciones Experimentales Compartidas de MRSEC en el MIT, con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias bajo el número de premio DMR-08-19762. Agradecemos a Eric Powers por su ayuda con la prueba y edición.

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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