XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

В последнее десятилетие активно развиваются технологии, в которых используются перовскитные материалы и квантовые точки. Находится множество применений подобных структур в оптоэлектронике, фотовольтаике и других областях. Некоторые продукты находятся пока на уровне прототипов, в других данная технология реализована частично, а какие-то уже активно используются. Наиболее перспективное направление применения перовскитных квантовых точек на данный момент - это оптоэлектроника, ведь металлоорганические перовскиты – недорогие материалы с подходящими оптическими и электрическими характеристиками для вышеприведенных областей. Они считаются особенно привлекательными к использованию, так как обладают рядом преимуществ перед традиционными люминофорами: широким спектром поглощения, узким симметричным пиком люминесценции, высокой фотостабильностью и высоким квантовым выходом флуоресценции.

Перовскитные материалы, их кристаллическая структура

Термин «перовскит» относится к минералу с химической формулой CaTiO₃. Термины «перовскит» и «структура перовскита» часто используются как взаимозаменяемые, тогда как в действительности истинный перовскит состоит из кальция, титана и кислорода в форме CaTiO₃, а структура перовскита — это все, что имеет общую форму ABX₃ и ту же кристаллографическую структуру, что и сам перовскит. В структуре перовскита «А» и «В» — два катиона очень разных размеров, а X — анион, который связан с обоими (рисунок [1]). ABX­₃ образована октаэдром с галогенами в углу (X: Cl, Br или I); переходными металлами в центре (B: Pb или Sn) и катионами (A: Cs, органические CH(NH₂)₂ (FA) или (MA) CH₃NH₃). Структура также может изменяться в зависимости от присутствующих элементов и их ионных радиусов.

 

Рисунок 1. Структура перовскита

На рисунке [2] изображены преобразования кристаллической структуры перовскита из кубической в тетрагональную и орторомбическую. Перовскиты состава MAPbX₃ имеют кубическую структуру. Однако, соединения в зависимости от состава (X – Cl, Br, I) могут претерпевать фазовые переходы в зависимости от температуры.

Рисунок 2. Преобразования структур

Далее представлены схемы фазовых переходов и температуры:

ромбическая тетрагональная кубическая

ромбическая тетрагональная кубическая

ромбическая тетрагональная кубическая

Методы синтеза перовскитных квантовых точек

Существует несколько методов синтеза перовскитных квантовых точек, например, лиганд-опосредованное осаждение (о нем пойдет речь ниже), метод периферической кристаллизации, а также кристаллизация наночастиц перовскита с контролем поверхностного натяжения.

Лиганд-опосредованное осаждение представляет собой получение частиц перовскита смешиванием поверхностных лигандов и растворенных прекурсоров перовскита с веществом, в котором они слабо растворяются. В качестве прекурсоров используются PbI₂, CH₃NH₃I, а для растворителей берут чаще всего такие органические вещества как тетрагидрофуран, гамма-бутиролактон и ацетонитрил. Также для лучших результатов реакции добавляются толуол и бромид октиламмония. Прекурсоры PbI₂, CH₃NH₃I и некоторое количество октиламмония растворяют в ацетонитриле. Получается прозрачный раствор, который впоследствии по каплям добавляют к толуолу под ультрафиолетом (УФ лампа, длина волны 254 нм). В растворе сразу же выпадает черно-коричневый осадок с эмиссией флуоресценции в диапазоне длин волн красного спектра, подразумевая собой образование кристаллов CH₃NH₃PbI₃. Однако, спустя некоторое время раствор мутнеет, поэтому его центрифугируют в течение 5 минут для отделения квантовых точек. Размер полученных кристаллов варьируется в пределах 6,6 – 13,3 нм. Полученные квантовые точки стабильны на открытом воздухе более 3-х месяцев.

Заключение

Перовскитные квантовые точки обладают уникальным сочетанием оптических свойств, таких как прямая и регулируемая ширина запрещенной зоны, высокие коэффициенты экстинкции, широкие спектры поглощения, высокая подвижность носителей заряда, большие длины диффузии заряда и очень низкая плотность ловушек. Они дешевы, просты в изготовлении и чрезвычайно эффективны. Именно поэтому их активно исследуют и используют в оптоэлектронике, солнечных элементах, лазерах, светоизлучающих диодах, фотодетекторах и многих других областях.

Источники

Colloidal Synthesis of Air-Stable CH3NH3PbI3 Quantum Dots by Gaining Chemical Insight into the Solvent Effects / Zhang Feng, Huang Sheng, Wang Peng [идр.]. — Chemistry of materials. — 2017. — № . — С. 7

Halide Perovskite Phase Transitions Observations Using Temperature Dependent Photoluminescence Spectroscopy. —// edinst.com : — URL: https://www.edinst.com/phase-transitions-halide-perovskite/

Onoda-Yamamuro N., Matsuo T., Suga H. Calorimetric and IR spectroscopic studies of phase transitions in methylammonium trihalogenoplumbates (II) //Journal of Physics and Chemistry of Solids. – 1990. – V. 51. – №. 12. – P. 1383-1395.

What are perovskite quantum dots? —// Quantum solutions : — URL: https://quantum-solutions.com/blog/what-are-perovskite-quantum-dots/

Liu Y. et al. Multi-inch single-crystalline perovskite membrane for high-detectivity flexible photosensors //Nature communications. – 2018. – V. 9. – №. 1. – P. 1-11.

Код для цитирования: Скопировать