Comportamiento iónico en perovskita de haluro de plomo orgánico. El ión bromuro (Br-) en la solución se puede intercambiar fácilmente con el ión yoduro (I-) dentro del cristal. El movimiento de los iones de haluro dentro del cristal es instigado por los orificios donde se han eliminado los átomos de haluro. Crédito:Universidad de Kobe
Las perovskitas híbridas orgánicas-inorgánicas han recibido mucha atención como potenciales células solares de próxima generación y como materiales para dispositivos emisores de luz.
El profesor asociado de la Universidad de Kobe, Tachikawa Takashi (del Centro de Investigación de Fotosciencia Molecular) y la Dra. Karimata Izuru (anteriormente estudiante de posgrado dedicada a la investigación en la Escuela de Graduados de Ciencias) han logrado sustituir completamente los iones haluro de los nanocristales de perovskita manteniendo su morfología y eficiencia de emisión de luz.
Es más, mediante el uso de técnicas tales como imágenes de fotoluminiscencia de una sola partícula, los investigadores pudieron comprender los cambios momentáneos en la emisión de luz y la estructura cristalina, lo que a su vez les permitió desarrollar un principio para controlar la composición iónica.
Se espera que estos resultados de investigación contribuyan a permitir la síntesis de perovskitas de diferentes composiciones y a avanzar en el desarrollo de dispositivos que las utilicen. Además, se espera que se pueda aprovechar la flexibilidad de las estructuras de perovskita, permitiendo su aplicación a dispositivos y la creación de nuevos materiales funcionales.
Estos hallazgos fueron publicados en la revista académica alemana Edición internacional Angewandte Chemie el 19 de octubre 2020.
Perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas, tales como perovskitas de haluro de plomo orgánico (por ejemplo, CH 3 NUEVA HAMPSHIRE 3 PbX 3 (X =Cl, Br, I)), han recibido atención mundial como material prometedor para células solares de alta eficiencia. Es más, el color de la luz que emiten puede controlarse alterando el tipo y la composición de los iones haluro. Como consecuencia, Se espera que las perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas se puedan aplicar a dispositivos emisores de luz como pantallas y láseres.
Sin embargo, Se sabe que los iones de haluro dentro de los cristales se mueven incluso a temperatura ambiente, y esta alta flexibilidad provoca problemas como reducciones tanto en la reproducibilidad de síntesis como en la durabilidad del dispositivo.
Arriba:Imagen de fotoluminiscencia de una sola partícula de la reacción de intercambio de haluro usando el reactor de flujo. La luz emitida cambió de rojo a verde, mientras que los cristales mantuvieron su morfología y eficiencias de emisión de luz. Abajo:Ilustración de cambios estructurales en el nanocristal de perovskita causados por la reacción de intercambio de haluros. El estado oscuro es causado por una carga eléctrica insuficiente para la generación de luz, que resultó de la ruptura de la estructura interna del cristal (defectos). Crédito:Tachikawa Takashi
En este estudio, los investigadores utilizaron un reactor de flujo hecho a medida para controlar con precisión la reacción de intercambio entre el CH 3 NUEVA HAMPSHIRE 3 PbI 3 nanocristales y Br - iones en solución. Esto les permitió convertir con éxito los nanocristales en CH 3 NUEVA HAMPSHIRE 3 PbBr 3 nanocristales manteniendo su morfología y eficiencia luminosa.
Es importante saber qué tipo de reacción ocurrirá dentro de los cristales para desarrollar técnicas de síntesis. Para entender esto los investigadores utilizaron un microscopio de fluorescencia para observar cómo reaccionaba cada nanocristal individual. De esta observación, entendieron que una vez que la luz roja emitida por el CH 3 NUEVA HAMPSHIRE 3 PbI 3 había desaparecido por completo, la luz verde procedente del CH 3 NUEVA HAMPSHIRE 3 PbBr 3 se generó repentinamente después de un intervalo de 10 a 100 segundos. Basado en los resultados del análisis estructural utilizando un haz de rayos X, se reveló que Br - iones reemplazados yo - iones dentro de la estructura cristalina mientras que en la superficie se formaba una capa rica en bromuro. Después, el bromuro de la capa superficial se movió gradualmente hacia las regiones internas.
Se cree que las emisiones de luz roja se volvieron inobservables porque las regiones internas de la estructura cristalina estaban parcialmente desordenadas durante la transición iónica. lo que provocó la pérdida de energía necesaria para la emisión de luz. Después, CH 3 NUEVA HAMPSHIRE 3 PbBr 3 Se formaron núcleos de cristal dentro de la partícula de nanocristales y se produjo una transición cooperativa al estado de generación de luz verde.
A partir de estos resultados, Se puede decir que separar temporalmente las transiciones de la estructura cristalina y la posterior reestructuración (que ocurre a escala nanométrica) es una de las claves para el éxito, síntesis precisa de perovskitas de haluro de plomo orgánico.
Se cree que el proceso de transformación estructural observado en los nanocristales de perovskita en este estudio está relacionado con todos los modos de síntesis de nanomateriales que se basan en el intercambio iónico. por lo tanto, la investigación futura podría iluminar el mecanismo subyacente. Aunque los investigadores tienen una impresión negativa de la flexibilidad de las perovskitas de haluros orgánicos, it is hoped that this characteristic could be exploited and applied to the development of new materials and devices that can react to the environment and external stimuli.
