神户大学 有机卤化铅钙钛矿中的离子行为
溶液中的溴离子很容易与晶体中的碘离子交换
卤化物离子在晶体内的运动是由除去卤化物原子的空穴引起的
学分:神户大学 有机-无机杂化钙钛矿作为潜在的下一代太阳能电池和发光器件材料受到了广泛关注
神户大学的分子光科学研究中心副教授塔奇川和博士
卡里马塔·伊祖鲁(之前在科学研究生院从事研究的研究生)已经成功地完全取代了钙钛矿纳米晶体的卤化物离子，同时保持了它们的形态和发光效率
此外，通过使用单粒子光致发光成像等技术，研究人员能够理解光发射和晶体结构的瞬时变化，这反过来使他们能够开发出控制离子组成的原理
预计这些研究结果将有助于合成不同组成的钙钛矿，并促进利用它们的装置的发展
此外，希望能够利用钙钛矿结构的灵活性，使其能够应用于器件和新功能材料的制造
这些发现发表在2020年10月19日的德国学术期刊Angewandte Chemie国际版上
有机-无机杂化钙钛矿，如有机卤化铅钙钛矿(例如，CH3NH3PbX3 (X = Cl，Br，I))作为高效太阳能电池的一种有前途的材料，已经引起了全世界的关注
此外，它们发出的光的颜色可以通过改变卤化物离子的类型和组成来控制
因此，有望将有机-无机杂化钙钛矿应用于发光器件，如显示器和激光器
然而，已知晶体内的卤化物离子即使在室温下也会四处移动，这种高灵活性会导致诸如合成再现性和器件耐久性降低的问题
顶部:使用流动反应器的卤化物交换反应的单粒子光致发光成像
发出的光从红色变为绿色，同时晶体保持其形态和发光效率
下图:由卤化物交换反应引起的钙钛矿纳米晶体的结构变化
暗态是由光产生的电荷不足引起的，光产生的电荷不足是由晶体内部结构(缺陷)的破坏引起的
信用:立川高史 在这项研究中，研究人员使用定制的流动反应器来精确控制溶液中CH3NH3PbI3纳米晶体和溴离子之间的交换反应
这使得他们能够成功地将纳米晶体转化为CH3NH3PbBr3纳米晶体，同时保持其形态和发光效率
为了发展合成技术，知道晶体内部会发生什么样的反应是很重要的
为了理解这一点，研究人员使用荧光显微镜观察每个纳米晶体是如何反应的
根据这一观察，他们了解到，一旦CH3NH3PbI3发出的红光完全消失，源自CH3NH3PbBr3的绿光在10秒至100秒的间隔后突然产生
基于使用x光束的结构分析的结果，发现在晶体结构内部，溴离子取代了碘离子，同时在表面上形成了富含溴化物的层
之后，表面层上的溴化物逐渐进入内部区域
据信红光发射变得不可观察，因为在离子跃迁期间晶体结构的内部区域部分无序，这导致光发射所必需的能量损失
随后，在纳米晶体颗粒内部形成CH3NH3PbBr3晶核，并且发生向绿光产生状态的协同转变
从这些结果可以说，暂时分离晶体结构转变和随后的重组(发生在纳米尺度上)是成功、精确合成有机卤化铅钙钛矿的关键之一
本研究中观察到的钙钛矿纳米晶体的结构转变过程被认为与基于离子交换的所有纳米材料合成模式有关，因此未来的研究有望阐明其潜在的机理
尽管研究人员对有机卤化物钙钛矿的柔性有负面印象，但希望这种特性能够被开发并应用于能够对环境和外部刺激做出反应的新材料和器件的开发
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