Erfolgreiche Umwandlung anorganischer Perowskite ohne Beeinträchtigung ihrer funktionellen Eigenschaften

Vollständig anorganische Bleihalogenid-Perowskite werden aufgrund ihrer herausragenden Leistung und verbesserten Umweltstabilität zu immer wichtigeren Halbleitermaterialien in der Energieumwandlung und Optoelektronik.

„Im Gegensatz zu Metallmaterialien oder Polymeren sind anorganische Halbleiter jedoch oft spröde und schwer zu verarbeiten. Dies schränkt ihre Anwendungen als optoelektronische Produkte, die mechanischen Belastungen und Belastungen standhalten müssen, ohne ihre Funktionalität zu verlieren, stark ein“, sagte Professor Chen Fu-Rong, stellvertretender Vizepräsident Präsident (Mainland Collaboration) und Lehrstuhlinhaber für Materialwissenschaften an der CityU, der die Studie mitleitete.

Um diese Einschränkung zu überwinden, hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Chen zusammen mit Professor Johnny Ho Chung-yin, stellvertretender Leiter und Professor in der Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (MSE), und Professor Zhao Shijun in der Abteilung für Maschinenbau (MNE). ) an der CityU und Professor Lu Yang, ehemaliger Professor für MNE und derzeit an der Universität Hongkong (HKU) arbeitend, erforschten die Verformbarkeit rein anorganischer Perowskite (CsPbX3, wobei X Cl-, Br- oder I-Ionen sein können). Sie fanden heraus, dass Perowskite bei Raumtemperatur im Wesentlichen in unterschiedliche Geometrien umgewandelt werden können und dabei ihre funktionellen Eigenschaften beibehalten, eine Leistung, die bei herkömmlichen anorganischen Halbleitern beispiellos ist.

In ihren Experimenten synthetisierte das Team zunächst einkristalline Mikrosäulen aus CsPbX3 mit Durchmessern und Breiten im Bereich von 0,4 bis 2 μm und Längen von 3 bis 10 μm mithilfe der Dampf-Flüssigkeit-Feststoff-Methode. Anschließend führten sie In-situ-Kompressionsexperimente mit einem Rasterelektronenmikroskop durch.

Sie fanden heraus, dass es unter Kompression zu kontinuierlichen Verschiebungen partieller Versetzungen auf mehreren Verschiebungssystemen im CsPbX3-Kristallgitter kam. Dieser „dominoartige“ Multi-Rutsch-Verformungsmechanismus ermöglichte es den Mikropillen, sich in verschiedene unterschiedliche Formen zu verformen, ohne zu brechen, einschließlich der umgedrehten L-Form, Z-Form und Weinglasform.

Mithilfe eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) mit atomarer Auflösung zeigte das Team, dass die Atome in der Verformungszone gut miteinander verbunden waren, was zu unbeschädigten Funktionseigenschaften führte. „Wir haben auch beobachtet, dass die optoelektronische Leistung der Mikrosäulen von der Verformung unberührt blieb“, sagte Professor Ho. „Dies zeigt das Potenzial dieser Materialien für den Einsatz in der verformbaren Optoelektronik.“

Das Forschungsteam führte weitere elektronische und strukturelle Analysen durch, um den physikalischen Ursprung dieses ungewöhnlichen Verhaltens aufzudecken. „Das Geheimnis der Morphing-Fähigkeit ist die Low-Slip-Energiebarriere, die ein leichtes Gleiten gewährleistet, und die starken Pb-X-Bindungen, die die strukturelle Integrität des Kristalls aufrechterhalten und Risse oder Spaltungen verhindern“, sagte Professor Zhao Shijun, der sich darauf spezialisiert hat Eigenschaften von Computermaterialien. Und die Bandlücke, ein Energieindex, der die gesamten elektrischen Eigenschaften intrinsischer Halbleiter beeinflusst, des CsPbX3-Kristallgitters blieb nach der Verformung unverändert, was darauf hindeutet, dass die elektronische Struktur des Materials unberührt blieb, fügte er hinzu.

„Unsere Ergebnisse zeigten, dass vollständig anorganische CsPbX3-Einkristalle erheblich verformt und durch mehrfaches Gleiten unter Umgebungsbedingungen leicht in verschiedene Formen umgewandelt werden können, ohne dass sich ihre kristalline Integrität, Gitterstruktur oder optoelektronischen Eigenschaften ändern“, sagte Professor Chen.

„Dieser Erfolg stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung Entwicklung und Herstellung innovativer Energiegeräte und verformbarer Elektronik dar. Der zugrunde liegende Mechanismus, der durch ein TEM auf atomarer Ebene aufgedeckt wurde, liefert wichtige Implikationen für die Suche nach anderen intrinsischen duktilen Halbleitern“, fügte er hinzu.

Die Ergebnisse wurden in Nature Materials unter dem Titel „Multislip-enabled morphing of all-inorganic perovskites“ veröffentlicht.

Die Erstautoren sind Dr. Li Xiaocui, Dr. Meng You und Dr. Li Wanpeng, Postdocs in der MSE-Abteilung. Die entsprechenden Autoren sind Professor Chen, Professor Ho, Professor Zhao und Professor Lu von der HKU. Weitere Mitarbeiter sind Forscher von CityU und der Zhejiang-Universität.

Die Forschung wird vom Hong Kong Research Grants Council (RGC), CityU und dem National Natural Science Foundation of China/RGC Hong Kong Joint Research Scheme unterstützt.