Однако в процессе исследователи обнаружили фундаментальное свойство галогенидных перовскитов, которое может стать препятствием для их широкого использования в качестве солнечных элементов и транзисторов.
С другой стороны, это уникальное свойство может открыть для перовскитов совершенно новый мир, выходящий за рамки сегодняшних стандартных полупроводников.
В статье появляется Ян. 24 в журнале Science Advances, химик из Калифорнийского университета в Беркли Пейдонг Ян и его коллеги показывают, что кристаллическая структура галогенидных перовскитов изменяется в зависимости от температуры, влажности и химической среды, нарушая их оптические и электронные свойства. Без тщательного контроля физической и химической среды перовскитовые устройства по своей природе нестабильны. Это не большая проблема для традиционных полупроводников.
"Некоторые люди могут сказать, что это ограничение. Для меня это прекрасная возможность », – сказал Ян, представитель S. K. и Анджела Чан, заслуженный заведующий кафедрой энергетики Химического колледжа и директор Института нанонаук Энергии Кавли. «Это новая физика: новый класс полупроводников, которые можно легко реконфигурировать, в зависимости от того, в какую среду вы их поместите. Они могут быть действительно хорошим датчиком, может быть, действительно хорошим фотопроводником, потому что они будут очень чувствительны в своей реакции на свет и химические вещества."
Современные полупроводники, изготовленные из кремния или нитрида галлия, очень стабильны в широком диапазоне температур, прежде всего потому, что их кристаллические структуры удерживаются вместе прочными ковалентными связями. Кристаллы галогенидного перовскита удерживаются вместе более слабыми ионными связями, как в кристалле соли.
Это означает, что их легче сделать – их можно выпарить из простого раствора, – но они также чувствительны к влажности, жаре и другим условиям окружающей среды.
«Эта статья не только о том, чтобы продемонстрировать, что мы создали этот синий светодиод», – сказал Ян, старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (лаборатория Беркли) и профессор материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли. «Мы также говорим людям, что нам действительно нужно обращать внимание на структурную эволюцию перовскитов во время работы устройства, каждый раз, когда вы управляете этими перовскитами электрическим током, будь то светодиод, солнечный элемент или транзистор. Это неотъемлемое свойство этого нового класса полупроводников и влияет на любое потенциальное оптоэлектронное устройство в будущем, использующее этот класс материалов."
Синий диодный блюз
По словам Янга, создание полупроводниковых диодов, излучающих синий свет, всегда было проблемой. Нобелевская премия по физике 2014 г. присуждена за прорыв в создании эффективных синих светодиодов из нитрида галлия.
Диоды, которые излучают свет при прохождении через них электрического тока, являются оптоэлектронными компонентами в оптоволоконных цепях, а также светодиодными лампами общего назначения.
Поскольку галогенидные перовскиты впервые привлекли широкое внимание в 2009 году, когда японские ученые обнаружили, что они производят высокоэффективные солнечные элементы, эти простые в изготовлении и недорогие кристаллы взволновали исследователей. До сих пор были продемонстрированы диоды с красным и зеленым светом, но не синие.
Галогенидные перовскитовые диоды с синим светом нестабильны, то есть их цвет смещается в сторону более длинных и красных длин волн при использовании.
Как обнаружили Ян и его коллеги, это связано с уникальной природой кристаллической структуры перовскитов. Галогенидные перовскиты состоят из металла, такого как свинец или олово, равного количества более крупных атомов, таких как цезий, и трехкратного количества атомов галогенидов, таких как хлор, бром или йод.
Когда эти элементы смешиваются вместе в растворе, а затем сушатся, атомы собираются в кристалл, как соль кристаллизируется из морской воды. Используя новую технику и ингредиенты цезий, свинец и бром, химики из Калифорнийского университета в Беркли и Беркли создали кристаллы перовскита, излучающие синий свет, а затем подвергли их облучению рентгеновскими лучами в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC), чтобы определить их кристаллическую структуру. различные температуры. Они обнаружили, что при нагревании от комнатной температуры (примерно 300 Кельвинов) до примерно 450 Кельвинов, обычной рабочей температуры для полупроводников, сжатая структура кристалла расширяется и в конечном итоге принимает новую ромбическую или тетрагональную конфигурацию.
Поскольку свет, излучаемый этими кристаллами, зависит от расположения атомов и расстояний между ними, цвет также меняется с температурой.
Кристалл перовскита, который излучал синий свет (длина волны 450 нанометров) при 300 Кельвинах, внезапно излучал сине-зеленый свет при 450 Кельвинах.
Янг объясняет гибкую кристаллическую структуру перовскитов более слабыми ионными связями, типичными для атомов галогенидов. Природный минерал перовскит содержит кислород вместо галогенидов, что дает очень стабильный минерал. Полупроводники на основе кремния и нитрида галлия одинаково стабильны, потому что атомы связаны прочными ковалентными связями.
Изготовление перовскитов с синим светом
По словам Янга, перовскитовые диоды с синим излучающим светом было сложно создать, потому что стандартная технология выращивания кристаллов в виде тонкой пленки способствует формированию смешанных кристаллических структур, каждая из которых излучает на разной длине волны.
Электроны направляются вниз к кристаллам с наименьшей шириной запрещенной зоны, то есть с наименьшим диапазоном недопустимых энергий, прежде чем излучать свет, который имеет тенденцию быть красным.
Чтобы избежать этого, постдокторанты и соавторы Яна – Хун Чен, Цзя Линь и Джухун Кан – выращивали однослойные кристаллы перовскита и, адаптировав низкотехнологичный метод создания графена, использовали ленту, чтобы отклеить одну слой однородного перовскита. При включении в цепь и обесточивании перовскит светился синим.
Фактическая длина волны синего цвета варьировалась в зависимости от количества слоев октаэдрических кристаллов перовскита, которые отделены друг от друга слоем органических молекул, что позволяет легко разделять слои перовскита, а также защищает поверхность.
Тем не менее, эксперименты SLAC показали, что перовскиты, излучающие синий цвет, меняли свой цвет излучения в зависимости от температуры. Янг сказал, что это свойство может иметь интересные приложения.
Два года назад он продемонстрировал окно из галогенидного перовскита, которое становится темным на солнце и прозрачным, когда солнце садится, а также производит фотоэлектрическую энергию.
«Нам нужно думать по-разному, чтобы использовать этот класс полупроводников», – сказал он. «Мы не должны использовать галогенидные перовскиты в той же прикладной среде, что и традиционные ковалентные полупроводники, такие как кремний.
Мы должны понимать, что этот класс материалов обладает внутренними структурными свойствами, которые делают его готовым к реконфигурации. Мы должны использовать это."
Работа поддержана U.S. Программа Министерства энергетики по фундаментальным энергетическим наукам. Другими соавторами статьи являются Цяо Конг, Дилан Лу, Минлян Лай, Ли На Цюань и Цзяньбо Джин из Калифорнийского университета в Беркли; Цзюнь Канг, Чжэнни Линь и Линь-Ван Ван из лаборатории Беркли; и Майкл Тони из SLAC.
Чен в настоящее время работает в Южном университете науки и технологий в Шэньчжэне, Китай; Линь работает в Шанхайском университете электроэнергетики; и Чжухун Кан учится в университете Сонгюнкван в Сеуле, Южная Корея.