科学家合成纯有机二维层状钙钛矿单晶,攻克全有机二维杂化钙钛矿难题 科学家刷新大面积全钙钛矿 钙钛矿研究最新进展
admin
2024-04-05 23:35:24
0

传统的钙钛矿材料在太阳能电池、光电器件、催化剂、铁电材料和量子材料等领域具有重要的应用潜力。

近年来,南昌大学院士团队成功制备出三维(3D)全有机钙钛矿铁电体,将不含金属阳离子的全有机 3D 钙钛矿材料变为现实,进一步丰富了钙钛矿材料种类和潜在应用。

然而,全二维(2D)有机钙钛矿仍然未出现报导,主要的原因是缺乏相应的设计原则和合成方法。

近期,香港理工大学/新加坡国立大学讲座教授与南方科技大学副教授、香港理工大学助理教授等课题组共同合作,首次成功合成了一种无金属的纯有机二维层状钙钛矿单晶,命名为 CL-v 相钙钛矿 (化学式为 A 2 B 2 X 4 )。

CL-v 相的介电常数范围为 4.8 至 5.5,高于二氧化硅、六方氮化硼(Hexagonal Boron Nitride,h-BN)的介电常数,制备的微电子场效应晶体管(Field Effect Transistor,FET)器件证明了它们作为薄膜晶体管的栅介电材料的潜力。

该研究为全有机二维钙钛矿材料的合成和应用开辟了新的方向,并为其在柔性电子器件等领域的应用提供了有力的支持。


填补全二维有机钙钛矿领域的空白

审稿人肯定了作者们构建全新有机二维层状杂化钙钛矿的设计原则和方法,并认为,全有机无金属钙钛矿为钙钛矿材料带来了一个全新的家族,对于全有机二维钙钛矿的构建具有极高的创新性。

此外,审稿人还评价称,这种层状全有机钙钛矿可以剥离或者生长为分子厚度(单层),代表了一类新型的分子薄全有机二维晶体。

而且,这些薄层晶体的介电常数高于二氧化硅和 h-BN 等二维介电材料的介电常数,是未来非常有潜力的柔性介电材料。

近日,相关论文以《分子厚度全有机二维杂化钙钛矿》()为题发表在 Science 上[1]。

香港理工大学博士后蔡华燮(Hwa Seob Choi)、林均和王刚为共同第一作者,香港理工大学、南方科技大学副教授和香港理工大学/新加坡国立大学讲座教授担任共同通讯作者。

图丨相关论文(来源:Science)

不同于 RP 相 (A 2 BX 4 ) 和 DJ 相(ABX 4 )2D 杂化钙钛矿,其中 A 代表比 B 大的阳离子,X 代表阴离子。

在该研究中,CL-v 相全有机二维杂化钙钛矿通过层间氢键形成了一个范德华间隙,可以通过剥离或生长为具有大纵横比的分子薄层有机晶体,具有潜在的作为柔性介电体的应用价值。

在设计全有机二维钙钛矿时,需要解决电荷平衡和结构稳定两大问题。这涉及到大有机阳离子 A、小阳离子 B 和阴离子 X 的选取和位点匹配等问题。

在该团队设计的全有机晶格中,使用 N - 氯甲基-1,4-二氮杂环 [2.2.2] 辛铵(CMD + )作为 A 位阳离子,因为它可以与晶胞边心的间隙 B + 阳离子在横向和垂直方向上形成氢键。


图丨 CL-v 相 2D 全有机钙钛矿的晶体结构描述(来源:Science)

B 位点被 NH 4 + 占据,X 位点被 PF 6 - 占据。在使用 CMD+ 的情况下,氮原子的孤对电子与 NH 4 +-边心在横向形成 N-H……N 氢键。

而邻层的氯甲烷与 NH 4 +-边心垂直方向形成 N-H……Cl 氢键,从而通过形成一个 NH 4 +-边心 [PF6] 3 [N] 2 [Cl] 八面体来稳定它的二维结构。

研究人员将 CMA + 阳离子换为 BMD + 阳离子,合成了 CMD-N-P2

和 BMD-N-P2 等一系列 A2B2X4 结构的全有机二维杂化钙钛矿。最终,将它定义为 CL-v 相有机二维杂化钙钛矿。


为开发新型全有机无金属 2D 钙钛矿材料提供基础

教授和教授分别是《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”(TR35)2023 年亚太区和 2021 年中国区的获奖者。在该研究中,他们分别负责微纳器件制备和高分辨扫描透射电镜原子结构的表征。


图丨(左)与(右)(来源:该团队)

在设计过程中,他们以实现全有机无金属的钙钛矿材料为目标,综合考虑分子选择、间隙填充、结构稳定性和功能性质等方面问题,并进行全新的二维结构的设计。

教授表示:“通过优化分子结构和相互作用,我们寻求到理想的全有机二维结构,为开发新型的全有机无金属 2D 钙钛矿材料提供了重要的基础。”

该课题组使用溶液法合成了如上构思的全有机二维钙钛矿单晶,并对合成得到的单晶材料进行详细的表征和分析。

教授指出,特别是与南方科技大学教授团队合作,林老师团队采用先进的球差校正冷冻透射电镜技术(Cs-corrected Cryo-TEM),在原子级别揭示了材料的精细结构与元素组成。

由于有机分子对电子束的低耐受性,传统成像技术往往导致快速且不可逆的结构损毁。

为克服这个障碍,他们采取了多项创新措施:利用液氮低温环境抑制样品加热,使用具有高探测量子效率的直接电子计数相机以及精确的样品搜索软件最小化电子暴露。

加上创新性的三维叠层图像滤波处理,这些技术的综合应用实现了在~1.1 个电子每平方埃的超低剂量下,对单晶材料的近原子级直接成像。表示,和分析型电镜的原子分辨电子剂量相比,其低了 5 个数量级。


图丨 CL-v family 的高分辨冷冻 TEM 结构和元素表征。该图展现了全有机二维钙钛矿单晶通过共价键连接的有机基团,以及氢键驱动组装的完美立方钙钛矿晶体结构(来源:Science)

2D 全有机钙钛矿材料能够形成大面积的分子薄膜,并具有绝缘性质,使其适用于 2D 电子器件中的介电层。

相较于 h-BN 等 2D 介电材料,CMD-N-P 2 和 BMD-N-P 2 展示了高介电常数,分别为 4.86 和 5.53。

为展示 CL-v 相作为介电层的效果,冷教授研究团队使用改进的两步干法转印技术,首先将薄层 CMD-N- P 2 或 BMD-N-P 2 作为顶层栅介电层转印到二硫化钼通道材料上,然后再次转印铬/金作为源和漏极电极制作了场效应晶体管。


图丨干法转印技术将 CMD-N-P 2 或 BMD-N-P 2 作为顶层栅介电层转移到 MoS 2

作为通道材料上,制作了场效应晶体管(来源:Science)

上图展示了制作的 FET 器件性能。在不同 V ds 下测量的传输曲线显示出 FET n 型行为,当 V ds 为 0.5V 时,开关比大于 10 7 ,足以符合 10 4 的实际逻辑电路标准。

传输曲线中可忽略的滞后性表明,全有机钙钛矿介电层和无机二维材料通道材料之间形成了良好的接触。

此外,从传输曲线中提取出的低亚阈值摆幅为 158mV dec -1 ,低于通过原子层沉积生长的氧化铝。漏极电流-电压(I d -V d )输出曲线在低偏压下呈现线性特性。


图丨 CL-v family 的介电性能和使用 CMD-N-P 2 作为介电层的 FET 器件(来源: Science )

据悉,与课题组目前正在积极合作,进行关于单晶薄膜钙钛矿的创新研究。他们期待能够再次携手,尽快整理并发表他们观测到的前沿现象,为科学发展贡献青年力量。

在全有机钙钛矿方面,接下来,他们将进一步拓展 2D 全有机钙钛矿结构,丰富该家族的材料,以实现新型器件应用。


参考资料:

1.H.Choi et al. Molecularly-thin, two-dimensional all-organic perovskites. Science 384, 6691,60-66(2024). DOI: 10.1126/science.adk8912

排版:刘雅坤

01/

02/

03/

04/

05/

相关内容

热门资讯

linux入门---制作进度条 了解缓冲区 我们首先来看看下面的操作: 我们首先创建了一个文件并在这个文件里面添加了...
C++ 机房预约系统(六):学... 8、 学生模块 8.1 学生子菜单、登录和注销 实现步骤: 在Student.cpp的...
A.机器学习入门算法(三):基... 机器学习算法(三):K近邻(k-nearest neigh...
数字温湿度传感器DHT11模块... 模块实例https://blog.csdn.net/qq_38393591/article/deta...
有限元三角形单元的等效节点力 文章目录前言一、重新复习一下有限元三角形单元的理论1、三角形单元的形函数(Nÿ...
Redis 所有支持的数据结构... Redis 是一种开源的基于键值对存储的 NoSQL 数据库,支持多种数据结构。以下是...
win下pytorch安装—c... 安装目录一、cuda安装1.1、cuda版本选择1.2、下载安装二、cudnn安装三、pytorch...
MySQL基础-多表查询 文章目录MySQL基础-多表查询一、案例及引入1、基础概念2、笛卡尔积的理解二、多表查询的分类1、等...
keil调试专题篇 调试的前提是需要连接调试器比如STLINK。 然后点击菜单或者快捷图标均可进入调试模式。 如果前面...
MATLAB | 全网最详细网... 一篇超超超长,超超超全面网络图绘制教程,本篇基本能讲清楚所有绘制要点&#...
IHome主页 - 让你的浏览... 随着互联网的发展,人们越来越离不开浏览器了。每天上班、学习、娱乐,浏览器...
TCP 协议 一、TCP 协议概念 TCP即传输控制协议(Transmission Control ...
营业执照的经营范围有哪些 营业执照的经营范围有哪些 经营范围是指企业可以从事的生产经营与服务项目,是进行公司注册...
C++ 可变体(variant... 一、可变体(variant) 基础用法 Union的问题: 无法知道当前使用的类型是什...
血压计语音芯片,电子医疗设备声... 语音电子血压计是带有语音提示功能的电子血压计,测量前至测量结果全程语音播报࿰...
MySQL OCP888题解0... 文章目录1、原题1.1、英文原题1.2、答案2、题目解析2.1、题干解析2.2、选项解析3、知识点3...
【2023-Pytorch-检... (肆十二想说的一些话)Yolo这个系列我们已经更新了大概一年的时间,现在基本的流程也走走通了,包含数...
实战项目:保险行业用户分类 这里写目录标题1、项目介绍1.1 行业背景1.2 数据介绍2、代码实现导入数据探索数据处理列标签名异...
记录--我在前端干工地(thr... 这里给大家分享我在网上总结出来的一些知识,希望对大家有所帮助 前段时间接触了Th...
43 openEuler搭建A... 文章目录43 openEuler搭建Apache服务器-配置文件说明和管理模块43.1 配置文件说明...