Нанокристалл перовскита

Нанокристаллы перовскита – это класс полупроводниковых нанокристаллов, которые обладают уникальными характеристиками, отличающими их от традиционных квантовых точек. Нанокристаллы перовскита имеют состав ABX3, где A = цезий, метиламмоний (МА) или формамидиний (FA); B = свинец или олово; и X = хлорид, бромид или йодид.

Их уникальные качества во многом связаны с необычной зонной структурой, которая делает эти материалы эффективными толерантными к дефектам или способными ярко излучать без пассивации поверхности. В этом отличие от других квантовых точек, таких как CdSe, которые должны быть пассивированы эпитаксиально подобранной оболочкой, чтобы быть яркими излучателями. В дополнение к этому, нанокристаллы перовскита галогенида свинца остаются яркими излучателями, когда размер нанокристалла налагает лишь слабое квантовое ограничение. Это позволяет создавать нанокристаллы с узкой шириной эмиссионных линий независимо от их полидисперсности.

Сочетание этих свойств и простоты их синтеза привело к появлению многочисленных статей, демонстрирующих использование нанокристаллов перовскита как в качестве классических, так и в качестве квантовых источников света, представляющих значительный коммерческий интерес. Нанокристаллы перовскита применяются во многих других оптоэлектронных приложениях, таких как светоизлучающие диоды, лазеры, средства видимой связи, сцинтилляторы, солнечные элементы и фотодетекторы.

Физические свойства

Нанокристалл перовскита

Нанокристаллы перовскита обладают многочисленными уникальными свойствами: толерантностью к дефектам, высоким квантовым выходом, высокой скоростью радиационного распада и узкой шириной линии излучения в условиях слабого ограничения, что делает их идеальными кандидатами для различных оптоэлектронных приложений.

Массовый против нано

Интригующие оптоэлектронные свойства перовскитов галогенида свинца были впервые изучены в монокристаллах и тонких пленках. Из этих отчетов было обнаружено, что эти материалы обладают высокой подвижностью носителей, длительным временем жизни носителей, большой длиной диффузии носителей и небольшой эффективной массой носителей. В отличие от своих нанокристаллических аналогов, объемные материалы ABX3 нелюминесцентны при комнатной температуре, но демонстрируют яркую фотолюминесценцию после охлаждения до криогенных температур.

Толерантность к дефектам

Показано, что в отличие от характеристик других коллоидных квантовых точек, таких как CdSe, КТ ABX3 являются яркими, с высоким квантовым выходом (более 80%) и стабильными эмиттерами с узкой шириной линии без пассивации поверхности. В системах II-VI наличие оборванных связей на поверхности приводит к тушению фотолюминесценции и прерывистости или мерцанию фотолюминесценции. Отсутствие чувствительности к поверхности можно объяснить расчетами электронной зонной структуры и плотности состояний этих материалов. В отличие от обычных полупроводников II-VI, где запрещенная зона образована связывающими и разрыхляющими орбиталями, граничные орбитали в КТ ABX3 образованы разрыхляющими орбиталями, состоящими из орбиталей Pb 6s 6p и X np (n — главное квантовое число соответствующего атома галогена). В результате оборванные связи (недокоординированные атомы) приводят к внутризонным состояниям или мелким ловушкам вместо глубоких среднещелевых состояний (например, d в КТ CdSe). Это наблюдение было подтверждено компьютерными исследованиями, которые показали, что электронная структура CsPbX3 материалы имеют запрещенную зону без ловушек. Кроме того, расчеты зонной структуры, выполненные различными группами, показали, что это материалы с прямой запрещенной зоной в их R-точке (критической точке зоны Бриллюэна) с составом. зависимые запрещенные зоны.

Фотолюминесценция

В 2015 году было обнаружено, что фотолюминесценцию нанокристаллов перовскита можно постсинтетически настроить во всем видимом спектральном диапазоне путем замещения галогенидами, чтобы получить chem2-su{display:inline-block;font-size:80%;line-height:1;vertical-align:-0.35em}.mw-parser-output .template-chem2-su>span{display:block; text-align:left}.mw-parser-output sub.template-chem2-sub{размер шрифта:80%;vertical-align:-0.35em}.mw-parser-output sup.template-chem2-sup{шрифт -size:80%;vertical-align:0,65em

APbCl3, < link href="mw-data:TemplateStyles:r1123817410" rel="mw-deduulated-inline-style"/>APb(Cl,Br)3, APbBr3, APb(Br,I)3 и APbI3; не было никаких доказательств APb(Cl,I)3. Изменение ширины запрещенной зоны в зависимости от состава можно описать законом Вегарда, который описывает изменение параметра решетки в зависимости от изменения состава твердого раствора. Однако изменение параметра решетки можно переписать, чтобы описать изменение запрещенной зоны для многих полупроводников. Изменение запрещенной зоны напрямую влияет на энергию или длину волны света, который может быть поглощен материалом, и, следовательно, на его цвет. Более того, это напрямую изменяет энергию излучаемого света в соответствии со стоксовым сдвигом материала. Эта быстрая постсинтетическая настройка анионов отличается от других систем с квантовыми точками, где длина волны излучения в основном настраивается в зависимости от размера частиц путем изменения степени квантового ограничения.

Помимо настройки края поглощения и длины волны излучения путем анионного замещения, было также замечено, что катион A-участка также влияет на оба свойства. Это происходит в результате искажения структуры перовскита и наклона октаэдров из-за размера А-катиона. Cs, который дает коэффициент допуска Гольдшмидта менее единицы, приводит к искаженной орторомбической структуре при комнатной температуре. Это приводит к уменьшению перекрытия орбиталей между атомами галогенида и свинца, а также к синему сдвигу спектров поглощения и излучения. С другой стороны, FA дает кубическую структуру и приводит к тому, что FAPbX3 имеет красные смещенные спектры поглощения и излучения по сравнению как с Cs, так и с MA. Из этих трех катионов MA имеет промежуточный размер между Cs и FA и, следовательно, приводит к промежуточным спектрам поглощения и излучения между Cs и FA. Благодаря сочетанию анионной и катионной настройки можно охватить весь спектр от ближнего УФ до ближнего ИК.

Коэффициент поглощения

Недавние исследования показали, что нанокристаллы CsPbBr3 имеют коэффициент поглощения 2×105 см-1 при 335 нм и 8×104 см-1 при 400 нм.

Одноточечная спектроскопия нанокристаллов перовскита

Мигание и спектральная диффузия

Спектроскопические исследования отдельных нанокристаллов выявили немерцающее излучение и очень низкую спектральную диффузию без пассивирующей оболочки вокруг NC. Исследования также продемонстрировали немерцающее излучение при комнатной температуре с сильно сниженной скоростью рекомбинации Оже при комнатной температуре (CsPbI3 NC).

Тонкая структура экситона и эффект Рашбы

Было обнаружено, что излучение нанокристаллов перовскита может быть результатом яркого (оптически активного) триплетного состояния. Было высказано предположение, что несколько эффектов играют роль в тонкой структуре экситонов, таких как обменные взаимодействия между электронами и дырками, кристаллическое поле и анизотропия формы, а также эффект Рашбы. В недавних отчетах описано наличие эффекта Рашбы в объемных и нано- CsPbBr3 и CsPb(Br,Cl)3. Хотя сообщалось, что эффект Рашбы способствует существованию триплетного состояния с наименьшей энергией CsPb(Br,Cl)3, недавняя работа над FAPbBr3 указал на наличие более низкого уровня темное состояние, которое можно активировать с помощью магнитного поля.

Когерентное излучение

Многочисленные квантово-оптические технологии требуют когерентных источников света. Нанокристаллы перовскита были продемонстрированы как источники такого света, а также как подходящие материалы для генерации одиночных фотонов с высокой когерентностью.

Самосборка и суперфлуоресценция

Монодисперсные нанокристаллы перовскита могут быть собраны в кубические сверхрешетки, которые могут иметь размер от нескольких сотен нанометров до десятков микрометров и демонстрировать настраиваемую фотолюминесценцию путем изменения состава нанокристаллов посредством анионного обмена (например, от излучающих зеленый свет сверхрешеток нанокристаллов CsPbBr3 до излучающих желтый и оранжевый свет CsPb(I
1−x
Br
x
)
3
сверхрешеток нанокристаллов CsPbI3 с красным излучением). Сообщалось, что эти сверхрешетки демонстрируют очень высокую степень структурного порядка и необычные оптические явления, такие как суперфлуоресценция. В случае этих сверхрешеток сообщалось, что диполи отдельных нанокристаллов могут выстраиваться в линию и затем одновременно испускать несколько импульсов света.

Химические свойства

Синтез

Первые попытки получить перовскиты MAPbX3 в виде нанокристаллов были предприняты в 2014 году методом нетемплатного синтеза. Лишь в 2015 году исследовательская группа Коваленко в ETH Zurich подготовила нанокристаллы CsPbX3. методом горячего инжекционного синтеза. С тех пор было продемонстрировано множество других синтетических путей успешного получения НК ABX3.

Горячая инъекция

В большинстве статей, посвященных НК ABX3, используется процедура горячей инъекции, при которой один из реагентов быстро вводится в горячий раствор, содержащий другие реагенты и лиганды. Сочетание высокой температуры и быстрого добавления реагента приводит к быстрой реакции, которая приводит к пересыщению и образованию зародышей, происходящим за очень короткий период времени с большим количеством зародышей. Через короткий промежуток времени реакцию гасят быстрым охлаждением до комнатной температуры. С 2015 года было опубликовано несколько статей, в которых подробно описываются улучшения этого подхода с использованием цвиттер-ионных лигандов, разветвленных лигандов и постсинтетической обработки. Недавно было продемонстрировано, что соевый лецитин является лигандной системой для этих нанокристаллов, которая может стабилизировать концентрации от нескольких нг/мл до 400 мг/мл.

Соосаждение

Второй популярный метод получения НК ABX3 основан на ионной природе материалов APbX3. Вкратце, для растворения исходных реагентов, таких как PbBr2, CsBr, олеиновая кислота и амин, используется полярный апротонный растворитель, такой как ДМФ или ДМСО. Последующее добавление этого раствора в неполярный растворитель снижает полярность раствора и вызывает осаждение фазы ABX3.

Микрофлюидика

Микрофлюидика также использовалась для синтеза НК CsPbX3, а также для скрининга и изучения синтетических параметров. Недавно в Университете штата Северная Каролина была разработана модульная микрофлюидная платформа для дальнейшей оптимизации синтеза и состава этих материалов.

Другие маршруты

В нескольких статьях сообщалось, что помимо традиционных способов синтеза, НК CsPbX3 можно получать на подложках или внутри пористых структур даже без лигандов. Дирин и др. впервые продемонстрировал, что яркие НК CsPbX3 могут быть получены без органических лигандов внутри пор мезопористого кремнезема. При использовании мезопористого кремнезема в качестве матрицы размер нанодоменов CsPbX3 ограничивается размером пор. Это позволяет лучше контролировать длину волны излучения посредством квантового ограничения и иллюстрирует толерантность к дефектам этих материалов. Позднее эта концепция была распространена на получение безлигандных НК APbX3 на щелочно-галогенидных носителях, которые можно было покрыть оболочкой NaBr без ухудшения их оптических свойств и защиты нанокристаллов от ряда полярных растворителей.

В результате низкой температуры плавления и ионной природы материалов ABX3 несколько исследований показали, что яркие нанокристаллы ABX3 также можно получить путем шаровой мельницы.

В случае НК состав можно регулировать посредством ионного обмена, то есть способности постсинтетически обменивать ионы в решетке на добавленные. Было показано, что это возможно как для анионов, так и для катионов.

Анионный обмен

Анионы в перовскитах галогенидов свинца очень подвижны. Подвижность возникает из-за диффузии галогенидных вакансий по всей решетке с активационным барьером 0,29 эВ и 0,25 эВ для CsPbCl3 и CsPbBr3 соответственно. (см.: физические свойства). Это было использовано Недельку и др. и Аккерманом и др., чтобы продемонстрировать, что состав нанокристаллов перовскита галогенидов цезия и свинца можно непрерывно настраивать от CsPbCl3 до CsPbBr3 и от CsPbBr3 до CsPbI3 для получения излучения во всем видимом спектре. Хотя это впервые наблюдалось в коллоидной суспензии, это также было показано в твердых гранулах солей галогенидов щелочных металлов, спрессованных с ранее синтезированными нанокристаллами. Такое же явление наблюдалось и для MAPbX3 и FAPbX3 NC.

Катионный обмен и допинг

Хотя в нескольких отчетах было показано, что НК CsPbX3 можно легировать Mn2+, они достигли этого за счет добавления предшественника Mn во время синтеза, а не за счет катионного обмена. Катионный обмен можно использовать для частичного обмена Pb2+ на Sn2+, Zn2+ или Cd2+ в течение нескольких часов. В дополнение к этим катионам было также показано, что золото является подходящим кандидатом для катионного обмена, дающего смешанно-валентный искажённый перовскит состава Cs2Au(I)Au(III)Br< суб>6. Также было показано, что катионный обмен A-сайта является жизнеспособным путем трансформации CsPbBr3 в MAPbBr3 и из CsPbI3 в FAPbI. 3.

Переосаждение с помощью лигандов (LARP)

Метод переосаждения с помощью лигандов предназначен для получения нанопластинок перовскита (NPls). В этом методе предшественники в различных растворителях, будь то полярные, такие как диметилформамид и диметилсульфоксид, или неполярные, такие как толуол и гексан, добавляются в присутствии лигандов с образованием перовскитных NPls, несмотря на пересыщение. Толщина NPls, полученная этим методом, зависит от концентрации лигандов, а также длины цепи органических лигандов. Следовательно, толщину можно контролировать соотношением А-катионолеата и предшественников галогенида свинца в реакционной среде. Регулируя количество толуола и ацетона во время синтеза, NPls кристаллизуются и осаждаются при комнатной температуре этими двумя растворителями соответственно.

Морфология

Наноматериалы могут быть получены с различной морфологией: от сферических частиц/квантовых ям (0D) до проволок (1D) и пластинок или листов (2D), и это ранее было продемонстрировано для КТ, таких как CdSe. Хотя первоначальный отчет о НК галогенида свинца в перовските охватывал кубические частицы, последующие отчеты показали, что эти материалы также могут быть получены как в виде пластинок (2D), так и в виде проволок (1D). Из-за различной степени квантового ограничения, присутствующей в этих разных формах, оптические свойства (спектр излучения и среднее время жизни) изменяются. В качестве примера влияния морфологии: кубические нанокристаллы CsPbBr3 могут излучать от 470 нм до 520 нм в зависимости от их размера (для излучения 470 нм требуются нанокристаллы со средним диаметром менее 4 нм). В пределах той же композиции (CsPbBr3) нанопластинки демонстрируют излучение, смещенное в синий цвет по сравнению с излучением кубов, причем длина волны зависит от количества монослоев, содержащихся внутри тромбоцита (от 440 нм для трех монослоев до 460 нм). за 5 монослоев). Нанопроволоки CsPbBr3, с другой стороны, излучают от 473 нм до 524 нм в зависимости от ширины приготовленной проволоки со временем жизни также в диапазоне 2,5–20,6 нс.

Подобно CsPbBr3, НК MAPbBr3 также проявляют морфологически зависимые оптические свойства: нанокристаллы MAPbBr3 излучают в диапазоне от 475 нм до 520 нм и демонстрируют среднюю время жизни порядка 240 нс в зависимости от их состава. Сообщалось, что нанотромбоциты и нанопроволоки излучают волны на длинах волн 465 и 532 нм соответственно.

Структура и состав

Все нанокристаллы перовскита имеют общий состав ABX3, в котором A представляет собой большой центральный катион (обычно MA, FA или Cs), который находится в полости, окруженной общими углами BX6< /sub>октаэдры (B = Pb, Sn; X = Cl, Br, I). В зависимости от состава кристаллическая структура может варьироваться от ромбической до кубической, а стабильность данного состава можно качественно предсказать по его коэффициенту толерантности Гольдшмидта.

где t — расчетный коэффициент допуска, а r — ионный радиус ионов A, B и X соответственно. Ожидается, что структуры с коэффициентом допуска от 0,8 до 1 будут иметь кубическую симметрию и образовывать трехмерные структуры перовскита, подобные тем, которые наблюдаются в CaTiO3. Кроме того, коэффициенты допуска t > 1 дают гексагональные структуры (тип CsNiBr3), а t < 0,8 приводят к структурам типа NH4CdCl3. . Если катион A-позиции слишком велик (t > 1), но упаковывается эффективно, могут образоваться 2D-перовскиты.

Искажения и фазовые переходы

Октаэдры BX6, имеющие общие углы, образуют трехмерный каркас посредством мостиковых галогенидов. По углу (Φ), образуемому B-X-B (металл-галогенид-металл), можно судить о близости данной структуры к структуре идеального перовскита. Хотя эти октаэдры связаны между собой и образуют каркас, отдельные октаэдры могут наклоняться относительно друг друга. На этот наклон влияет размер катиона «А», а также внешние раздражители, такие как температура или давление.

Если угол B-X-B слишком сильно отклоняется от 180 °, могут произойти фазовые переходы в сторону нелюминесцентных или вообще неперовскитных фаз. Если угол B-X-B не сильно отклоняется от 180 °, общая структура перовскита остается в виде трехмерной сети взаимосвязанных октаэдров, но оптические свойства могут измениться. Это искажение увеличивает запрещенную зону материала, поскольку перекрытие между орбиталями на основе Pb и X уменьшается. Например, замена катиона A с Cs на MA или FA изменяет коэффициент толерантности и уменьшает ширину запрещенной зоны, когда валентный угол B-X-B приближается к 180 °, а перекрытие орбиталей между атомами свинца и галогенида увеличивается. Эти искажения могут в дальнейшем проявляться в виде отклонений ширины запрещенной зоны от ожидаемой по закону Вегарда для твердых растворов.

Кристаллическая структура и двойникование в нанокристаллах.

Кристаллические структуры различных объемных перовскитов галогенида свинца при комнатной температуре были тщательно изучены и описаны для перовскитов APbX3. Средние кристаллические структуры нанокристаллов обычно совпадают со структурами объема. Однако исследования показали, что эти структуры являются динамическими и отклоняются от предсказанных структур из-за присутствия двойниковых нанодоменов.

Химия поверхности

Расчеты, а также эмпирические наблюдения показали, что нанокристаллы перовскита являются дефектоустойчивыми полупроводниковыми материалами. В результате они не требуют эпитаксиальной шелушения или пассивации поверхности, поскольку они нечувствительны к дефектам поверхности. В целом поверхность нанокристаллов перовскита считается одновременно ионной и высокодинамической. Однако ионные свойства вызывают нестабильность нанокристаллов перовскита во влажном состоянии, и процесс деградации может быть ускорен фотооблучением, которое может изменить электронные свойства нанокристаллов. В первоначальных отчетах использовались динамически связанные олеиламмониевые и олеатные лиганды, которые демонстрировали равновесие между связанным и несвязанным состояниями. Это привело к серьезной нестабильности в отношении очистки и промывки, которая была улучшена в 2018 году с введением цвиттер-ионных лигандов. Стабильность и качество этих коллоидных материалов были еще больше улучшены в 2019 году, когда было продемонстрировано, что глубокие ловушки могут быть созданы в результате частичного разрушения октаэдров галогенида свинца и что их также можно впоследствии восстановить для восстановления квантового выхода нанокристаллов.

Приложения и устройства

Светодиоды

Перовскитовые НК являются многообещающими материалами для излучающего слоя светоизлучающих диодов (СИД), поскольку они обладают потенциальными преимуществами перед органическими светодиодами (ОСИД), такими как отсутствие драгоценных металлов (Ir, Pt) и более простой синтез. Первое сообщение о зеленой электролюминесценции (EL) было получено от НК MAPbBr3, хотя о значениях эффективности не сообщалось. Позже было обнаружено, что НК MAPbBr3 могут образовываться в полимерной матрице, когда предшественники тонких пленок MAPbBr3 смешиваются с предшественником ароматического полиидмида. Авторы данного исследования получили зеленую ЭЛ с внешней квантовой эффективностью (EQE) до 1,2%.

Первые светодиоды на основе коллоидных НК CsPbX3 продемонстрировали синюю, зеленую и оранжевую электропроводность с EQE менее 1%. С тех пор эффективность достигла более 8 % для зеленых светодиодов (CsPbBr3 NC), более 7 % для красных светодиодов (CsPbI3 NC) и более 1 % для синих. Светодиоды (CsPb(Br/Cl)3).

Лазеры

Тонкие пленки перовскита MAPbX3, как было показано, являются перспективными материалами для оптических усилительных приложений, таких как лазеры и оптические усилители. Впоследствии были также продемонстрированы лазерные свойства коллоидных перовскитных NC, таких как нанокубы CsPbX3, нанопластинки MAPbBr3 и нанокубы FAPbX3. Пороги до 2 мкДж см−2 были зарегистрированы для коллоидных NC (CsPbX3) и 220 нДж см−2 для нанопроволок MAPbI3. Интересно, что перовскитные NC показывают эффективные оптические усиливающие свойства не только при резонансном возбуждении, но и при двухфотонном возбуждении, когда возбуждающий свет попадает в прозрачный диапазон активного материала. Хотя природа оптического усиления в перовскитах пока еще не до конца понятна, доминирующая гипотеза заключается в том, что инверсия заселенностей возбужденных состояний, необходимая для усиления, по-видимому, обусловлена ​​биэкситонными состояниями в перовските.

Фотокатализ

Нанокристаллы перовскита также исследовались в качестве потенциальных фотокатализаторов.

Безопасность

Было продемонстрировано, что нанокристаллы перовскита, легированные крупными катионами, такими как этилендиамин (en), проявляют гипсохроматичность одновременно с увеличенным временем жизни фотолюминесценции по сравнению с их нелегированными аналогами. Это явление было использовано исследователями для создания одноцветных люминесцентных QR-кодов, которые можно было расшифровать только путем измерения времени жизни фотолюминесценции. Измерения срока службы проводились с использованием как коррелированного по времени оборудования для подсчета одиночных фотонов, так и прототипа устройства времяпролетной флуоресцентной визуализации, разработанного CSEM.

Другие этапы

Тройные галогениды свинца цезия имеют несколько стабильных фаз, которые могут образовываться; к ним относятся CsPbX3 (перовскит), Cs4PbX6 (так называемая «нульмерная» фаза из-за несвязного [PbX 6]4-октаэдры) и CsPb2X5. Все три фазы получены коллоидным способом либо прямым синтезом, либо путем нанокристаллических превращений.

Растущий интерес к исследованиям этих соединений вызвал разногласия в сообществе вокруг нульмерной фазы Cs4PbBr6. Существуют два противоречивых утверждения относительно оптических свойств этого материала: i) фаза демонстрирует высокий фотолюминесцентный квантовый выход излучения при 510-530 нм и ii) фаза нелюминесцентна в видимом спектре. Позднее было показано, что чистые НК Cs4PbBr6 нелюминесцируют и что их можно преобразовать в люминесцентные НК CsPbX3 и наоборот.

Аналогичные дебаты возникли относительно фазы CsPb2Br5, о которой также сообщалось как о сильно люминесцентной. Эта фаза, как и фаза Cs4PbBr6, представляет собой широкозонный полупроводник (~3,1 эВ), но она также является непрямым полупроводником и нелюминесцентна. Нелюминесцентная природа этой фазы была дополнительно продемонстрирована в NH4Pb2Br5.

Бессвинцовые нанокристаллы перовскита

Учитывая токсичность свинца, продолжаются исследования по открытию бессвинцовых перовскитов для оптоэлектроники. Несколько бессвинцовых перовскитов были получены коллоидным способом: Cs3Bi2I9, Cs2PdX6, CsSnX3. НК CsSnX3, хотя и являются ближайшим бессвинцовым аналогом высоколюминесцентных НК CsPbX3, не демонстрируют высоких квантовых выходов (<1% PLQY) CsSnX3 НК также чувствительны к O2, который вызывает окисление Sn(II) до Sn(IV) и делает НК нелюминесцентными.

Другой подход к этой проблеме основан на замене катиона Pb(II) комбинацией одновалентного и трехвалентного катиона, т.е. B(II) заменен на B(I) и B(III). Двойные нанокристаллы перовскита, такие как Cs2AgBiX6 (X = Cl, Br, I), Cs2AgInCl6 (включая вариант, легированный Mn), и Cs2AgInxBi1-xCl6 (включая Вариант, легированный Na) изучались как потенциальная альтернатива перовскитам на основе галогенида свинца, хотя ни один из них не демонстрирует узкую и высокую эмиссию PLQY.