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Chemistry

कोलाइडी लीड हैलिड पेरोवस्की नैनोप्लेटलेट्स वाया लिगन्ड-असिस्टेड रिवेक्शेशन का संभल संश्लेषण

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

Summary

यह काम कोलाइडयन क्वांटम-परिंधित सीसा हैलिड पेरोवस्कटे नैनोप्लेटलेट्स के सहज कमरे-तापमान संश्लेषण को दर्शाता है जो लिगन्ड-सहायता प्राप्त पुनः वर्षा विधि द्वारा किया जाता है। Synthesized नैनोप्लेटलेट संरचना और मोटाई अलग करके दृश्य रेंज भर में वर्णक्रमीय ऑप्टिकल सुविधाओं और निरंतर वर्णक्रमीय ट्यूनकरनेीयता दिखाने के लिए।

Abstract

इस काम में, हम कोलाइडयन सीसा हैलिड पेरोवस्काइट नैनोप्लेटलेट संश्लेषण के लिए एक सहज विधि प्रदर्शित करते हैं (रासायनिक सूत्र: एल2[एबीएक्स3]n-1BX4, L: butylammonium और octylammonium, A: मेथिलऐमॉनोनियम या formamidinium, बी: सीसा, एक्स: ब्रोमाइड और आयोडाइड, n:की संख्या [BX6]4- नैनोप्लेटलेट मोटाई की दिशा में अष्टफलकीय परतों) ligand-सहायता से पुनः प्राप्ति के माध्यम से. व्यक्तिगत perovskite अग्रदूत समाधान एन, एन-डिमेथिलफॉर्मामाइड (डीएमएफ) में प्रत्येक नैनोप्लेटलेट घटक नमक भंग करके तैयार कर रहे हैं, जो एक ध्रुवीय कार्बनिक विलायक है, और फिर लक्षित नैनोप्लेटलेट मोटाई और संरचना के लिए विशिष्ट अनुपात में मिश्रण। एक बार मिश्रित अग्रदूत समाधान अध्रुवीय toluene में गिरा दिया है, घुलनशीलता में अचानक परिवर्तन सतह से बाध्य alkylammonium halide ligands कोलाइडल स्थिरता प्रदान करने के साथ नैनोप्लेटलेट के तात्कालिक क्रिस्टलीकरण प्रेरित करता है। प्रकाशसंदीपन और अवशोषण स्पेक्ट्रम से पता चलता है emissive और दृढ़ता से क्वांटम-परिंधली सुविधाओं. एक्स-रे विवर्तन और संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी नैनोप्लेटलेट की द्वि-आयामी संरचना की पुष्टि करते हैं। इसके अलावा, हम प्रदर्शित करते हैं कि perovskite नैनोप्लेटेलेट के बैंड अंतराल लगातार हैलिड आयन (ओं) की स्टोइकियोमेट्री अलग द्वारा दृश्य रेंज में tuned किया जा सकता है। अंत में, हम सतह कैपिंग ligands के रूप में कई प्रजातियों को शुरू करने से ligand-सहायता पुनः वर्षा विधि के लचीलेपन का प्रदर्शन. इस पद्धति emissive 2D कोलाइडयन अर्धचालक के dispersions तैयार करने के लिए एक सरल प्रक्रिया का प्रतिनिधित्व करता है.

Introduction

पिछले दशक में, सीसा हैलाइड perovskites सौर कोशिकाओं का निर्माण1,2,3,4,5,6 प्रभावी ढंग से इस के उत्कृष्ट गुणों पर प्रकाश डाला गया है लंबे वाहक विसरण लंबाई7,8,9,10, संघटनात्मक ट्यूनाबिलिटी4,5,11 सहित अर्धचालक सामग्री और कम लागत संश्लेषण12| विशेष रूप से, दोष सहिष्णुता की अनूठी प्रकृति13,14 नेतृत्व halide perovskites मूल रूप से अन्य अर्धचालकों से अलग है और इस तरह अत्यधिक अगली पीढ़ी के ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक बनाता है.

सौर कोशिकाओं के अलावा, सीसा हैलाइड perovskites इस तरह के प्रकाश उत्सर्जक डायोड6,15,16,17,18के रूप में उत्कृष्ट ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों बनाने के लिए दिखाया गया है, 19,20,21,22, लेज़रों23,24,25, और फोटो डिटेक्टर26,27, 28. विशेष रूप से, जब कोलाइडयन नैनोक्रिस्टल के रूप में तैयार किया जाता है18,29,30,31,32,33,34, 35,36,37,38,39,40,41,42,43, नेतृत्व हैलाइड पेरोवस्काइट्स मजबूत क्वांटम- और परावैद्युत-संबन्ध, बड़े exciton बाध्यकारी ऊर्जा44,45, और उज्ज्वल luminscence17,19 सुगम समाधान के साथ प्रदर्शित कर सकते हैं प्रक्रियाीयता. क्वांटम डॉट्स29,30,31,32, नैनोरोड33,34 और नैनोप्लेटलेट18सहित विभिन्न रिपोर्ट की गई भूगणितएं, 35,36,37,38,39,40,41,43 आगे आकार ट्यूनरकाता का प्रदर्शन सीसा हैलिड पेरोवस्की नैनोक्रिस्टल्स की।

उन नैनोक्रिस्टल के अलावा, कोलाइडयन दो आयामी (2 डी) नेतृत्व हैलाइड perovskites, या "perovskite नैनोप्लेटलेट", चार्ज वाहक की मजबूत कैद की वजह से प्रकाश उत्सर्जक अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से वादा कर रहे हैं, बड़े exciton बाध्यकारी ऊर्जा तक पहुँचने meV44के सैकड़ों करने के लिए , और नैनोप्लेटलेट39की मोटाई शुद्ध पहनावा से स्पेक्ट्रली संकीर्ण उत्सर्जन. इसके अतिरिक्त, anisotropic उत्सर्जन 2D perovskite नैनोक्रिस्टल46 और अन्य 2D अर्धचालक47के लिए रिपोर्ट,48 perovskite नैनोप्लेटलेट आधारित से outcoupling दक्षता को अधिकतम करने की क्षमता पर प्रकाश डाला गया प्रकाश उत्सर्जक उपकरणों.

यहाँ, हम एक लिगन्ड-सहायता प्राप्त पुनरावर्तन तकनीक36,38,49के माध्यम से कोलाइडियल लीड हैलिड पेरोवक्टे नैनोप्लेटलेट केसरल, सार्वभौमिक,कमरे के तापमान संश्लेषण के लिए एक प्रोटोकॉल प्रदर्शित करते हैं। पेरोवस्काइट नैनोप्लेटलेट आयोडाइड और/या ब्रोमाइड हैलिड एनिअंस, मेथिलऐमॉनोनियम या फॉर्मैमिडीनियम कार्बनिक cations को शामिल करते हैं, और चर कार्बनिक सतह लिगन्ड्स का प्रदर्शन किया जाता है। अवशोषण और उत्सर्जन ऊर्जा और कोलाइडयन फैलाव की मोटाई शुद्धता को नियंत्रित करने के लिए प्रक्रियाओं पर चर्चा की जाती है।

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Protocol

नोट: 'n के सरल संकेतन $ 1 BX' और 'n ] 2 ABX' का उपयोग यहाँ से L2BX4 और L2[ABX3]BX4के जटिल रासायनिक सूत्र के बजाय किया जाएगा। बेहतर स्थिरता और परिणामस्वरूप perovskite नैनोप्लेटलेट के ऑप्टिकल गुणों के लिए, यह निष्क्रिय परिस्थितियों के तहत पूरी प्रक्रिया को पूरा करने के लिए सिफारिश की है49 (यानी, एक नाइट्रोजन दस्ताने बॉक्स).

1. perovskite नैनोप्लेटलेट अग्रदूत समाधान की तैयारी

  1. मिथाइलमोनियम ब्रोमाइड (एमएबीआर), फॉर्मामिडीनियम ब्रोमाइड (एफएबीआर), लीड ब्रोमाइड (पीबीआर2),ब्यूटिमोनियम ब्रोमाइड (बीएबीआर), ऑक्टिमोनियम ब्रोमाइड (ओएबीआर), मिथाइलमोनियम आयोडाइड (एमएआई), फार्मीओड (एफएबी), लेडियलमोनियम ब्रोमाइड (ओएबीआर), मिथाइलमोनियम आयोडाइड (एमएआई), लेडिओड (बीई) की तैयारी करें। आयोडाइड (PbI2), butylammonium iodide (BAI), और octylammonium iodide (OAI) में N,N-dimethylformamide (DMF) या तो DMF में प्रत्येक नमक को भंग करके या व्यावसायिक रूप से उपलब्ध समाधानों को कम करके।
    1. PbBr2 कमरे के तापमान पर DMF में आसानी से घुलनशील नहीं है, समाधान को 80 डिग्री सेल्सियस पर 10 मिनट या पूर्ण विघटन के लिए लंबे समय तक रखें। एक बार भंग होने के बाद, उपयोग करने से पहले समाधान को कमरे के तापमान में वापस ठंडा करें।
      नोट: व्यक्तिगत अग्रदूत समाधान की एकाग्रता अधिक नैनोप्लेटलेट संश्लेषित करने के लिए बढ़ाया जा सकता है, लेकिन अधिकतम एकाग्रता आमतौर पर DMF में PbBr2 और PbI2 की solubilities द्वारा सीमित है.
  2. प्रत्येक लक्ष्य मोटाई और संरचना के लिए विशिष्ट मात्रा अनुपात में उन व्यक्तिगत अग्रदूत समाधान मिलाएं।
    1. ब्रोमाइड-केवल या आयोडाइड-केवल नैनोप्लेटलेट संश्लेषित करने के लिए, तालिका 1देखें, जो n के लिए volumetric अनुपात को सारांशित करता है $ 1 और n ] 2 ब्रोमाइड और आयोडाइड नैनोप्लेटलेट.
    2. मिश्रित हैलाइड रचनाओं के साथ नैनोप्लेटलेट संश्लेषित करने के लिए, लक्ष्य संरचना के लिए वांछित वॉल्यूमेट्रिक अनुपात में एक ही मोटाई के ब्रोमाइड केवल और आयोडाइड केवल perovskite नैनोप्लेटलेट अग्रदूत समाधान गठबंधन। उदाहरण के लिए, 30%-ब्रोमाइड-70%-iodide n ] 2 perovskite नैनोप्लेटलेट बनाने के लिए, n के अग्रदूत समाधानों को मिलाइए ] 2 MAPbB और n ] 2 MAPbI को 3:7 volumetric अनुपात में मिलाइए।
      नोट: कार्बनिक धनायन बदलने से ऑप्टिकल संक्रमण ऊर्जा13को काफी प्रभावित नहीं करता है। अवशोषण और संदीप्ति मुख्य रूप से हैलाइड संरचना या नैनोप्लेटलेट मोटाई को बदलकर ट्यून किए जाते हैं।

2. लिगन्ड-सहायता से पुन: प्राप्ति विधि के माध्यम से पेरोवस्ट नैनोप्लेटलेट का संश्लेषण

  1. जोरदार हलचल के तहत 10 एमएल टॉलूईन में मिश्रित अग्रदूत समाधान के 10 डिग्री सेल्सियस इंजेक्शन। Nanoplatelets घुलनशीलता में अचानक परिवर्तन के कारण तुरंत क्रिस्टलीकृत हो जाएगा.
    नोट: टॉलूईन में इंजेक्ट किए गए मिश्रित अग्रदूत समाधान की मात्रा को $100 $L तक बढ़ाया जा सकता है। इंजेक्शन अग्रदूत समाधान और इंजेक्शन की गति की कुल मात्रा में पर्याप्त रूप से perovskite नैनोप्लेटलेट आकृति विज्ञान को प्रभावित करने के लिए प्रतीत नहीं होता है (चित्र S1) . हालांकि, बहुत ज्यादा DMF के इंजेक्शन समाधान की polarity बढ़ जाती है और क्रिस्टलीकरण कम कर देता है.
  2. 10 मिनट के लिए सरगर्मी के तहत समाधान छोड़ दो जब तक कोई आगे रंग परिवर्तन perovskite नैनोप्लेटलेट का पूरा क्रिस्टलीकरण सुनिश्चित करने के लिए समाधान से मनाया जाता है।
    नोट: ताजा तैयार अग्रदूत समाधान से ताजा संश्लेषित perovskite नैनोप्लेटलेट आमतौर पर सबसे अच्छा photoluminescence क्वांटम उपज और प्रकाशस्थिरता49दिखाते हैं. और समय के साथ, नैनोप्लेटलेट धीरे-धीरे एकीकृत करेंगे (चित्र S2),बिगड़ती कोलाइडयन स्थिरता। इस प्रकार, यह एक बार संश्लेषित के रूप में जल्द से जल्द नैनोप्लेटलेट समाधान का उपयोग करने के लिए सिफारिश की है।

3. विशेषता नमूना तैयारी और कोलाइडयन perovskite नैनोप्लेटलेट समाधान की शुद्धि।

  1. पारेषण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (टीईएम) नमूना तैयारी।
    1. 10 मिनट के लिए 2050 x ग्राम पर समाधान centrifuge.
    2. महादलित को त्याग दें।
    3. 1 एमएल टॉलूईन में नैनोप्लेटलेट्स को पुनर्परिक्षेपित करें।
    4. एक TEM ग्रिड पर 1 बूंद ड्रॉप.
    5. वैक्यूम के तहत नमूना सूखी.
  2. एक्स-रे विवर्तन (XRD) नमूना तैयारी
    1. 10 मिनट के लिए 2050 x ग्राम पर समाधान centrifuge.
    2. महादलित को त्याग दें।
    3. 30 डिग्री सेल्सियस टॉलूईन में नैनोप्लेटलेट को पुनर्परिक्षेपित करें।
    4. एक ग्लास स्लाइड पर ड्रॉपकास्ट.
    5. वैक्यूम के तहत नमूना सूखी.
  3. सामान्य शुद्धि
    1. 10 मिनट के लिए 2050 x ग्राम पर समाधान centrifuge.
    2. महादलित को त्याग दें।
    3. उपयोग के आधार पर विलायक की वांछित मात्रा में नैनोप्लेटलेट को पुनर्परिक्षेपित करें।
      नोट: नैनोप्लेटलेट के उपयोग पर निर्भर करता है, redispersing विलायक की मात्रा स्वतंत्र रूप से समायोजित किया जा सकता है और अन्य गैर ध्रुवीय कार्बनिक सॉल्वैंट्स जैसे हेक्सेन, ऑक्टेन या क्लोरोबेन्जीन के बजाय toluene के इस्तेमाल किया जा सकता है।

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Representative Results

पेरोवस्काइट नैनोप्लेटलेट्स और संश्लेषण प्रक्रिया का योजनाबद्ध चित्रण सामग्री और कृत्रिम विवरण का अवलोकन देता है (चित्र 1)। परिवेश प्रकाश और यूवी के तहत कोलाइडयन पेरोवस्ट नैनोप्लेटलेट समाधानों के चित्र (चित्र 2) , प्रकाशसंदीप्युसेन और अवशोषण स्पेक्ट्रम (चित्र 3) के साथ संयुक्त नैनोप्लेटलेट्स के उत्सर्जक और अवशोषण प्रकृति की पुष्टि करते हैं। TEMछवियों( चित्र 4 ) और XRD पैटर्न (चित्र 5) पार्श्व आयाम और नैनोप्लेटलेट के स्टैकिंग रिक्ति का अनुमान लगाने के लिए उपयोग किया जाता है, जबकि भी द्वि-आयामी संरचना की पुष्टि. मिश्रित हैलिड्स के साथ पेरोवस्काइट नैनोप्लेटलेट समाधानों का अवशोषण स्पेक्ट्रम बैंडगैप की ट्यूनाबिलिटी प्रदर्शित करता है (चित्र 6)। कार्बनिक सतह कैपिंग लिगन्ड्स की रासायनिक पहचान के लिए प्रकाशसंदीप्सिन स्पेक्ट्रम की असंवेदनशीलता इन सामग्रियों की संरचनालचीलापन पर प्रकाश डालती है (चित्र 7)।

एमबीआर एफएबीआर पीबीबीआर2 BABr ओएबीआर माई Fai पीबीआई2 बाई ओएआई
n]1 PbBr 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0
n] 2 FAPbBr 0 1 2 5 5 0 0 0 0 0
n] 2 MAPbBr 1 0 2 5 5 0 0 0 0 0
n] 1 पीबीआई 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1
n] 2 FAPbI 0 0 0 0 0 0 1 2 5 5
n] 2 MAPBI 0 0 0 0 0 1 0 2 5 5

तालिका 1. perovskite नैनोप्लेटलेट अग्रदूत समाधान के लिए गठन दिशानिर्देश.
तालिका में संख्याएँ प्रत्येक पूर्वगामी समाधान (स्तंभ) के volumetric समतुल्य इंगित करती हैं जिसे प्रोटोकॉल पाठ में सांद्रता विनिर्देशों के अनुसार लक्षित नैनोप्लेटलेट (पंक्ति) को प्राप्त करने के लिए संयोजित किया जाना चाहिए.

Figure 1
चित्र 1. Perovskite नैनोप्लेटलेट संरचना और संश्लेषण प्रक्रिया.
(क)पेरोवस्काइट एकक कोशिका तथा नैनोप्लेटलेट संरचना का चित्रण। (ख)कोलाइडयन पेरोवस्की नैनोप्लेटलेट संश्लेषण का स्केमेटिक चित्रण। Ref. 48 से अनुमति के साथ reprinted (adapted)। कॉपीराइट 2019 अमेरिकी रासायनिक सोसायटी. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2. कोलाइडी perovskite नैनोप्लेटलेट समाधान यूवी प्रकाश द्वारा प्रबुद्ध।
नैनोप्लेटलेट्स से उत्सर्जन बीम पथ के साथ स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है। Ref. 48 से अनुमति के साथ reprinted (adapted)। कॉपीराइट 2019 अमेरिकी रासायनिक सोसायटी. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3. कोलाइडी पेरोवस्की नैनोप्लेटलेट समाधान के प्रकाशसंदीपन और अवशोषण स्पेक्ट्रम।
नैनोप्लेटलेट के Bandgap मोटाई और संरचना के साथ देखते जा सकते हैं। Longpass फिल्टर (कट-ऑन तरंगदैर्ध्य: 400 एनएम) photoluminescence स्पेक्ट्रम संग्रह से पहले उत्तेजना यूवी प्रकाश बाहर फिल्टर करने के लिए इस्तेमाल किया गया था और यह थोड़ा बदल सकता था n - 1 सीसा ब्रोमाइड नैनोप्लेटलेट उत्सर्जन स्पेक्ट्रम।

Figure 4
चित्र 4. पारोवस्की नैनोप्लेटलेट के संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (टीईएम) छवियों।
छवियाँ बेतरतीब ढंग से-ओवरलैपिंग नैनोप्लेटलेट दिखाएँ। यह भी देखें चित्र S7. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्र 5. एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी) पैटर्न और पेरोवस्की नैनोप्लेटलेट के डी-स्पेसिंग।
XRD पैटर्न नैनोप्लेटलेट स्टैकिंग चोटियों जो नैनोप्लेटलेट के दो आयामी प्रकृति और dropcasted फिल्मों में उनके आमने-सामने आत्म विधानसभा की पुष्टि का प्रभुत्व है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्र 6. मिश्रित हैलिड्स के साथ कोलाइडयन पेरोवस्की नैनोप्लेटलेट समाधानों का अवशोषण स्पेक्ट्रम।
पहले excitonic अवशोषण सुविधाओं की सतत पारी हैलिड संरचना के साथ bandgap ट्यूनाबिलिटी से पता चलता है. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्र 7. प्रकाशदीप्ति ं के द े 1 PbBr और n ] 2 MAPbBr नैनोप्लेटेलेट विभिन्न लिगन्ड प्रजातियों के साथ संश्लेषित।
पुनरावर्तन विधि को अन्य लिगन्ड केमिस्टों तक आसानी से बढ़ाया जा सकता है। तैयार दिशा-निर्देशों के लिए तालिका S2 भी देखें। Longpass फिल्टर (कट-ऑन तरंगदैर्ध्य: 400 एनएम) photoluminescence स्पेक्ट्रम संग्रह से पहले उत्तेजना यूवी प्रकाश बाहर फिल्टर करने के लिए इस्तेमाल किया गया था और यह थोड़ा बदल सकता था n - 1 सीसा ब्रोमाइड नैनोप्लेटलेट उत्सर्जन स्पेक्ट्रम। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

अनुपूरक फाइल. जानकारी का समर्थन. इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए कृपया यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

इस संश्लेषण का गुणनफल कोलाइडल सीसा हैलिड नैनोप्लेटलेट्स है जो ऐल्किलैमनियम हैलिड सतह लिगन्ड्स (चित्र 1क) द्वारा छाया हुआ है। चित्रा 1b लिगन्ड-सहायता से पुनः वर्षा के माध्यम से कोलाइडयन perovskite नैनोप्लेटलेट की सिंथेटिक प्रक्रिया को दर्शाता है। संक्षेप में प्रस्तुत करने के लिए, घटक अग्रदूत लवण वांछित मोटाई और संरचना के लिए विशिष्ट अनुपात में एक ध्रुवीय विलायक DMF में भंग कर रहे थे, और फिर toluene में इंजेक्शन, जो अध्रुवीय है. विलेयता में अचानक परिवर्तन के कारण, कोलाइडयन पेरोवस्काइट नैनोप्लेटलेट्स तुरंत क्रिस्टलाइज़ करने के लिए शुरू कर दिया। मिश्रित अग्रदूत समाधान तैयार करते समय, घटक अग्रदूतों के बीच अनुपात मुख्य रूप से परिणामी नैनोप्लेटलेट की मोटाई निर्धारित करता है (चित्र S3), और पूर्ववर्ती समाधान में अतिरिक्त लिगन्ड की उपस्थिति सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण थी गुण की मोटाई समांगता (चित्र S4)। सामान्य में, किसी भी ध्रुवीय विलायक perovskite अग्रदूत लवण भंग करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, जबकि किसी भी गैर ध्रुवीय विलायक कोलाइडयन नैनोप्लेटलेट फैलाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। हालांकि, उन nonpolar और ध्रुवीय सॉल्वैंट्स की miscibility कोलाइडयन perovskite नैनोप्लेटलेट के सजातीय संश्लेषण के लिए महत्वपूर्ण है, और इस प्रकार हम DMF और toluene चुना है. इसके अलावा, यह होने के लिए perovskite नैनोप्लेटलेट के क्रिस्टलीकरण के लिए जोड़ा ध्रुवीय विलायक करने के लिए बड़े अतिरिक्त में nonpolar विलायक है करने के लिए महत्वपूर्ण है। बहुत अधिक ध्रुवीय विलायक जोड़ने के परिणामस्वरूप विलायक मिश्रण की ध्रुवता बढ़ जाती है (यानी DMF + toluene), जो नैनोप्लेटलेट भंग कर सकते हैं. क्लोराइड- और सीजियम-इनोसिओटिंग नैनोपेट्स को इस दृष्टिकोण से संश्लेषित भी किया जा सकता है (चित्रा S5),हालांकि क्लोराइड युक्त नैनोप्लेटलेट कोई नहीं होते हैं और सीजियम-आधारित नैनोप्लेटलेट अवर स्थिरता और मोटाई से पीड़ित होते हैं इस विधि38के माध्यम से संश्लेषित करते समय मेथिलऐमोनियम आधारित नैनोप्लेटलेट के सापेक्ष समांगता। अंत में, हम ध्यान दें कि केवल द $ 1 और द - 2 सदस्यों को इस विधि द्वारा अच्छी मोटाई एकरूपता के साथ संश्लेषित किया गया है; मोटा बनाने का प्रयास (द र्ं 3) नैनोप्लेटलेट्स आमतौर पर मिश्रित-मोटाई फैलाव उत्पन्न करते हैं(चित्र S6)।

चित्रा 2 यूवी प्रकाश, जहां नैनोप्लेटलेट के उत्सर्जन स्पष्ट रूप से बीम पथ के साथ देखा जा सकता है द्वारा प्रबुद्ध के रूप में synthesized कोलाइडयन perovskite नैनोप्लेटलेट समाधान की छवियों से पता चलता है। चित्र 3 सामान्यीकृत प्रकाशसंदीप्युसन (पीएल) और कोलाइडयन पेरोवस्की नैनोप्लेटलेट समाधानों का अवशोषण स्पेक्ट्रम दिखाता है, जो पिछलीरिपोर्ट37,38,50,51 के अनुरूप हैं , मोटाई और घटक प्रजातियों के साथ perovskite नैनोप्लेटेलेट की ट्यूनाबिलिटी का प्रदर्शन। सभी नैनोप्लेटलेट के लिए, अवशोषण स्पेक्ट्रम में मजबूत उत्तेजक सुविधाओं और थोक perovskites की तुलना में स्पेक्ट्रा के महत्वपूर्ण नीले-shift35 मजबूत क्वांटम और परावैद्युत के कारण मनाया गया. मेथिलैममोनियम से formamidinium के लिए कार्बनिक धन को बदलने में काफी बैंड अंतर को प्रभावित नहीं किया - या तो ब्रोमाइड या iodide नैनोप्लेटलेट के लिए - नेतृत्व हैलिड perovskites में संयोजकता इलेक्ट्रॉनिक संरचना की समझ के साथ समझौते में13 . तालिका S1 उन कोलाइडयन perovskite नैनोप्लेटलेट समाधान के photoluminescence क्वांटम पैदावार (PLQYs) को संक्षेप में प्रस्तुत करता है।

perovskite नैनोप्लेटलेट के दो आयामी संरचना TEM और XRD द्वारा पुष्टि की गई थी. चित्रा 4 में,TEM छवियों आंशिक रूप से दो आयामी perovskite नैनोप्लेटलेट ओवरलैपिंग दिखाने के लिए, कुछ सौ नैनोमीटर से एक micrometer को लेकर व्यक्तिगत पार्श्व आयामों के साथ. TEM ग्रिड पर नैनोप्लेटलेट की छवि इसके विपरीत और यादृच्छिक विन्यास से पता चलता है कि वे अलग-अलग शीट के रूप में समाधान में बिखरे हुए हैं - बजाय खड़ी लेमेलर क्रिस्टल। चित्र 4में पाए गए इलेक्ट्रॉन बीम विकिरण पर छोटे, काले गोलाकार बिंदु दिखाई दिए और माना जाता है कि ये धात्विक पीबी के रूप में पहले36,52में बताए गए थे। perovskite नैनोप्लेटलेट के बड़े पार्श्व आयामों के कारण, वे वरीयता एक दूसरे के शीर्ष पर फ्लैट रखना जब एक फिल्म में डाली, और आवधिक स्टैकिंग चोटियों XRD पैटर्न प्रभुत्व के रूप में चित्रा 5 में दिखाया गया है. यह देखते हुए कि घन परोवस्की इकाई सेल के लिए जाली स्थिरांक $ 0ण्6 दउ53है , यह कम किया जा सकता है कि कार्बनिक लिगन्ड परत स्टैक्ड नैनोप्लेटलेट फिल्मों में 1 एनएम मोटी होती है , भले ही नैनोप्लेटेट प्रजाति38हो .

अवशोषण और उत्सर्जन अनुनाद लगातार हैलिड संरचना अलग से देखते जा सकता है. चित्र 6 कोलाइडी द के सामान्यीकृत अवशोषण स्पेक्ट्रम को दर्शाता है - 1 PbX और द ] 2 MAPbX नैनोप्लेटलेट समाधान ब्रोमाइड और आयोडाइड के अलग-अलग अनुपातों के साथ। स्पष्ट उत्तेजक अवशोषण चोटियों नैनोप्लेटलेट में वाहकों की मजबूत कैद से संकेत मिलता है, और हैलाइड संरचना के साथ उन चोटियों की निरंतर बदलाव हैलिड संरचना भिन्नता के माध्यम से बैंड अंतराल ट्यूनाकोटि को दर्शाता है (चित्र S8)। तथापि, मिश्रित-हलाइड नैनोप्लेटलेट्स के प्रकाश-संदीप् ति स्पेक्ट्रम व्यापक या एकाधिक विशेषताओं को प्रदर्शित करता है (चित्र S9),जो संभवतः फोटोप्रेरित हैलाइड पृथक्करण के कारण होता है। 54

लिगन्ड-सहायता प्राप्त पुनरावर्तन विधि विशेष रूप से लंबी श्रृंखला कैपिंग लिगंड की पहचान को बदलने के लिए सक्षम है, जैसा कि चित्र 7में दर्शाया गया है। यह एक विशिष्ट डिवाइस या आवेदन55के अनुकूलित प्रदर्शन के लिए सतह से आने वाली कार्बनिक प्रजातियों की प्रकृति ट्यूनिंग की संभावना को खोलता है। तथापि, हम ध्यान दें कि परिणामी प्रणाली की सर्वोत्तम मोटाई एकरूपता के लिए नई लिगन्ड प्रजातियों को नियोजित करते समय अलग-अलग अग्रदूतों के बीच अनुपातों में मामूली समायोजन की आवश्यकता हो सकती है(चित्र S10 और तालिका S2)।

अंत में, हमने अलग-अलग रचना के कोलाइडियल लीड हैलिड पेरोवस्की नैनोप्लेटलेट्स को संश्लेषित करने के लिए एक सरल, बहुमुखी विधि का प्रदर्शन किया है(चित्र S11)। Ligand-सहायता से पुनः वर्षा दृष्टिकोण संभावित रूप से उच्च-थ्रूपुट संश्लेषण और आगे डेटा चालित विश्लेषण के लिए अनुकूल है। मोटाई, संरचना- और ligand-tunability सिंथेटिक प्रोटोकॉल में किसी भी प्रमुख संशोधनों के बिना प्राप्त किया जा सकता है। आगे बढ़ते हुए, यह अन्य perovskite नैनोक्रिस्टल29,32,56के साथ अनुरूप स्तर के लिए प्रकाशिल्युमिनकेंस दक्षता को और अधिक बढ़ाने के लिए वांछनीय होगा।

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Disclosures

लेखक कोई प्रतिस्पर्धी वित्तीय हितों की घोषणा करते हैं.

Acknowledgments

इस काम को अमेरिकी ऊर्जा विभाग, विज्ञान के कार्यालय, बुनियादी ऊर्जा विज्ञान (बीईएस) द्वारा पुरस्कार संख्या डीई-एससी0019345 के तहत समर्थित किया गया था। Seung Kyun हा आंशिक रूप से Kwanjeong शिक्षा फाउंडेशन विदेशी डॉक्टरेट कार्यक्रम छात्रवृत्ति द्वारा समर्थित किया गया था. इस कार्य ने एमआईटी में MRSEC साझा प्रायोगिक सुविधाओं का उपयोग किया, जो पुरस्कार संख्या DMR-08-19762 के तहत राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित है। हम अशुद्धि जाँच और संपादन के साथ सहायता के लिए एरिक शक्तियों धन्यवाद.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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… More

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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