Udana morfizacja nieorganicznych perowskitów bez niszczenia ich właściwości funkcjonalnych

Całkowicie nieorganiczne perowskity halogenkowo-ołowiowe stają się coraz ważniejszymi materiałami półprzewodnikowymi w konwersji energii i optoelektronice ze względu na ich wyjątkową wydajność i zwiększoną stabilność środowiskową.

„Jednak w przeciwieństwie do materiałów metalowych i polimerów, półprzewodniki nieorganiczne są często kruche i trudne w obróbce. To znacznie ogranicza ich zastosowanie jako produktów optoelektronicznych, które muszą wytrzymywać naprężenia mechaniczne i odkształcenia bez utraty swojej funkcjonalności” – powiedział profesor Chen Fu-Rong, wiceprezes ds. Prezes (Mainland Collaboration) i profesor przewodniczący nauk o materiałach w CityU, który współprowadził badanie.

Aby przezwyciężyć to ograniczenie, zespół badawczy kierowany przez profesora Chena wraz z profesorem Johnnym Ho Chung-yinem, zastępcą kierownika i profesorem na Wydziale Inżynierii Materiałowej (MSE), profesorem Zhao Shijunem na Wydziale Inżynierii Mechanicznej (MNE) ) w CityU oraz profesor Lu Yang, były profesor MNE, a obecnie pracujący na Uniwersytecie w Hongkongu (HKU), zbadali odkształcalność całkowicie nieorganicznych perowskitów (CsPbX3, gdzie X może oznaczać jony Cl, Br lub I). Odkryli, że perowskity można zasadniczo przekształcić w różne geometrie w temperaturze pokojowej, zachowując jednocześnie ich właściwości funkcjonalne, co jest osiągnięciem niespotykanym w konwencjonalnych półprzewodnikach nieorganicznych.

W swoich eksperymentach zespół najpierw zsyntetyzował monokrystaliczne mikropilary CsPbX3 o średnicach i szerokościach od 0,4 do 2 µm i długościach od 3 do 10 µm, stosując metodę para-ciecz-ciało stałe. Następnie przeprowadzili eksperymenty z kompresją in situ przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego.

Odkryli, że pod wpływem ściskania w sieci krystalicznej CsPbX3 występowały ciągłe poślizgi częściowych dyslokacji w wielu układach poślizgów. Ten przypominający domino mechanizm odkształcania z wieloma poślizgami umożliwił mikrofilarom odkształcenie się w różne różne kształty bez pękania, w tym w odwrócony kształt litery L, kształt Z i kształt kieliszka do wina.

Za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) o rozdzielczości atomowej zespół odkrył, że atomy w strefie deformacji są dobrze połączone, co prowadzi do nienaruszonych właściwości funkcjonalnych. „Zaobserwowaliśmy również, że odkształcenie nie miało wpływu na działanie optoelektroniczne mikrofilarów” – powiedział profesor Ho. „To pokazuje potencjał tych materiałów do zastosowania w odkształcalnej optoelektronice”.

Zespół badawczy przeprowadził dalsze analizy elektroniczne i strukturalne, aby odkryć fizyczne pochodzenie tego niezwykłego zachowania. „Sekret zdolności morfingu tkwi w barierze energetycznej o niskim poślizgu, która zapewnia łatwe poślizgi, oraz w silnych wiązaniach Pb-X, które utrzymują integralność strukturalną kryształu i zapobiegają pękaniu lub rozszczepianiu” – powiedział profesor Zhao Shijun, który specjalizuje się w właściwości materiałów obliczeniowych. Natomiast pasmo wzbronione, wskaźnik energii wpływający na całkowite właściwości elektryczne samoistnych półprzewodników, sieci krystalicznej CsPbX3, pozostało niezmienione po odkształceniu, co wskazuje, że struktura elektronowa materiału nie uległa zmianie – dodał.

„Nasze wyniki wykazały, że całkowicie nieorganiczne monokryształy CsPbX3 można zasadniczo odkształcać i łatwo przekształcać w różne kształty poprzez wielokrotny poślizg w warunkach otoczenia, bez zmiany ich integralności krystalicznej, struktury sieci czy właściwości optoelektronicznych” – powiedział profesor Chen.

„To osiągnięcie stanowi znaczący krok w kierunku projektowania i produkcji innowacyjnych urządzeń energetycznych i odkształcalnej elektroniki. Mechanizm leżący u podstaw, odkryty za pomocą TEM na poziomie atomowym, zapewnia ważne implikacje dla poszukiwań innych samoistnych półprzewodników plastycznych” – dodał.

Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Materials pod tytułem „Multislip-enabled morphing of all-nieorganic perovskites”.

Pierwszymi autorami są dr Li Xiaocui, dr Meng You i dr Li Wanpeng, postdoktorzy w Departamencie MSE. Autorami korespondującymi są profesor Chen, profesor Ho, profesor Zhao i profesor Lu z HKU. Innymi współpracownikami są naukowcy z CityU i Uniwersytetu Zhejiang.

Badania są wspierane przez Radę ds. Grantów Badawczych w Hongkongu (RGC), CityU oraz Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych/RGC Hongkong Wspólny Program Badawczy.