Name: facile synthesis of colloidal lead halide perovskite nanoplatelets via ligand-assisted reprecipitation
Uploaded: 2019-10-01T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Facile Synthesis of Colloidal Lead Halide Perovskite Nanoplatelets via Ligand-Assisted Reprecipitation at JoVE.com

Ce travail a été soutenu par le Département de l'énergie des États-Unis, office of Science, Basic Energy Sciences (BES) sous le numéro de prix DE-SC0019345. Seung Kyun Ha a été partiellement soutenu par la Kwanjeong Education Foundation Overseas Doctoral Program Scholarship. Ce travail a fait usage des installations expérimentales partagées du MRSEC au MIT, avec l'appui de la National Science Foundation sous le numéro d'attribution DMR-08-19762. Nous remercions Eric Powers pour son aide en matière d'épreuvage et d'édition.

REMARQUE : Des notations plus simples de 'n '1 BX' et'n '2 ABX' seront utilisées à partir d'ici au lieu de la formule chimique complexe de L2BX4 et L2[ABX3]BX4, respectivement. Pour une meilleure stabilité et les propriétés optiques des nanoplaquettes de perovskite résultantes, il est recommandé de compléter l'ensemble de la procédure dans des conditions inertes49 (c.-à-d., une boîte à gants à azote).
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Le produit de cette synthèse est des nanoplaquettes d'halogénure colloïdale plafonnées par des ligands de surface d'halogénure d'alkylammonium (figure 1a). La figure 1b démontre la procédure synthétique des nanoplaquettes perovskites colloïdales par reprécipitation ligand-assistée. En résumé, les sels précurseurs constitutifs ont été dissous dans un Solvant polaire DMF en ratios spécifiques pour l'épaisseur et la composition désirées, puis in...

Au cours de la dernière décennie, la fabrication de l'halogénure de plomb perovskites cellules solaires1,2,3,4,5,6 a effectivement mis en évidence les excellentes propriétés de cette matériau semi-conducteur, y compris les longues longueurs de diffusion du support7,8,9,10, tunability compositionnelle4,5,11 et la synthèse à faible coût12. En particulier, la nature unique de la tolérance aux défauts13,14 rend les perovskites d'halogénure de plomb fondamentalement différents des autres semi-conducteurs et donc très prometteurs pour les applications optoélectroniques de prochaine génération.
En plus des cellules solaires, perovskites d'halogénure de plomb ont été montrés pour faire d'excellents dispositifs optoélectroniques tels que les diodes électroluminescentes6,15,16,17,18, 19,20,21,22, lasers23,24,25, et les photodétecteurs26,27, 28. Surtout, lorsqu'il est préparé sous la forme de nanocristaux colloïdal18,29,30,31,32,33,34, 35,36,37,38,39,40,41,42,43, plomb les perovskites d'halogénure peuvent présenter le quantum- et le dielectric-confinement fort, l'énergie de liaison d'exciton grande44,45, et la luminescence lumineuse17,19 avec la solution facile processabilité. Diverses géométries signalées, y compris les points quantiques29,30,31,32, nanorods33,34 et nanoplatelets18, 35,36,37,38,39,40,41,43 encore démontrer la tunability forme des nanocristaux perovskite d'halogénure de plomb.
Parmi ces nanocristaux, les perovskites d'halogénure de plomb bidimensionnels (2D) colloïdales, ou « nanoplaquettes de perovskite », sont particulièrement prometteurs pour les applications émettant de la lumière en raison de l'enfermement fort des porteurs de charge, de l'énergie de liaison d'exciton grande atteignant jusqu'à des centaines de meV44, et les émissions spectralement étroites des ensembles d'épaisseur pure des nanoplaquettes39. En outre, l'émission anisotropique signalée pour les nanocristaux perovskite2D 46 et d'autres semi-conducteurs 2D47,48 met en évidence le potentiel de maximiser l'efficacité de découplage de perovskite nanoplaquet à base d'émettant de la lumière.
Ici, nous démontrons un protocole pour la synthèse simple, universelle, de température ambiante des nanoplaquettes colloïdales d'halogénure de plomb perovskite par l'intermédiaire d'une technique de reprécipitation ligand-assistée36,38,49. Les nanoplaquetlets de perovskite incorporant des anions d'halogénure d'iodure et/ou de bromure, des cations organiques de méthylammonium ou de formamidinium, et des ligands organiques variables de surface sont démontrés. Les procédures de contrôle de l'énergie d'absorption et d'émission et la pureté de l'épaisseur de la dispersion colloïdale sont discutées.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Equipment</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>365nm fiber-coupled LED</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>M365FP1</td>
			<td>Excitation source (Photoluminescence)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Avantes fiber-optic spectrometer</td>
			<td>Avantes</td>
			<td>AvaSpec-2048XL</td>
			<td>Photoluminescence detector (Photoluminescence spectra)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cary 5000</td>
			<td>Agilent Technologies</td>
			<td></td>
			<td>UV-Vis spectrophotometer (Absorption spectra)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FEI Tecnai G2 Spirit Twin TEM</td>
			<td>FEI Company</td>
			<td></td>
			<td>Transmission electron microscopy (TEM) operating at 120kV</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PANalytical X&#39;Pert Pro MPD</td>
			<td>Malvern Panalytical</td>
			<td></td>
			<td>X-ray diffraction (XRD) operating at 45 kV and 40 mA with a copper radiation source.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Materials</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>n-butylammonium bromide (BABr)</td>
			<td>GreatCell Solar</td>
			<td>MS305000-50G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>n-butylammonium chloride (BACl)</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>B071025G</td>
			<td>butylamine hydrochloride</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>n-butylammonium iodide (BAI)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>805874-25G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N,N-dimethylforamide (DMF)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>227056-1L</td>
			<td>Anhydrous, 99.8%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>n-dodecylammonium bromide (DDABr)</td>
			<td>GreatCell Solar</td>
			<td>MS300880-05</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>formamidinium bromide (FABr)</td>
			<td>GreatCell Solar</td>
			<td>MS350000-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>formamidinium iodide (FAI)</td>
			<td>GreatCell Solar</td>
			<td>MS150000-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>n-hexylammonium bromide (HABr)</td>
			<td>GreatCell Solar</td>
			<td>MS300860-05</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>lead bromide (PbBr2)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>398853-5G</td>
			<td>.99.999%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>lead chloride (PbCl2)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>268-690-5G</td>
			<td>98%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>lead iodide (PbI2) solution</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>795550-10ML</td>
			<td>0.55M in DMF</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>methylammonium bromide (MABr)</td>
			<td>GreatCell Solar</td>
			<td>MS301000-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>methylammonium iodide (MAI)</td>
			<td>GreatCell Solar</td>
			<td>MS101000-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>n-octylammonium bromide (OABr)</td>
			<td>GreatCell Solar</td>
			<td>MS305500-50G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>n-octylammonium chloride (OACl)</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>O04841G</td>
			<td>octylamine hydrochloride</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>n-octylammonium iodide (OAI)</td>
			<td>GreatCell Solar</td>
			<td>MS105500-50G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>iso-pentylammonium bromide (i-PABr)</td>
			<td>GreatCell Solar</td>
			<td>MS300710-05</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>toluene</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>244511-1L</td>
			<td>Anhydrous, 99.8%</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

facile synthesis of colloidal lead halide perovskite nanoplatelets via ligand-assisted reprecipitation

Dans ce travail, nous démontrons une méthode facile pour la synthèse colloïdale d'halogénure de plomb perovskite de nanoplaquet (Formule chimique : L2[ABX3]n-1BX4, L : butylammonium et octylammonium, A : méthylammonium ou formamidinium, B: plomb, X: bromure et iodure, n: nombre de [BX6]4- couches octaèdres dans le sens de l'épaisseur des nanoplaquettes) via la reprécipitation assistée par ligand. Les solutions individuelles de précurseurs perovskites sont préparées en dissolvant chaque sel constituant nanoplaquettaire dans N,N-dimethylformamide (DMF), qui est un solvant organique polaire, puis en mélangeant des ratios spécifiques pour l'épaisseur et la composition ciblées de nanoplaquette. Une fois que la solution de précurseur mélangéest est larguée dans le toluène non polaire, le changement brusque dans la solubilité induit la cristallisation instantanée des nanoplaquettes avec des ligands d'halogénure d'alkylammonium liés à la surface fournissant une stabilité colloïdale. Les spectres de photoluminescence et d'absorption révèlent des caractéristiques émissives et fortement confinées au quantum. La diffraction des rayons X et la microscopie électronique de transmission confirment la structure bidimensionnelle des nanoplaquettes. En outre, nous démontrons que l'écart de bande des nanoplaquettes perovskite peut être continuellement accordé dans la gamme visible en variant la stoichiométrie de l'ion d'halogénure(s). Enfin, nous démontrons la flexibilité de la méthode de reprécipitation assistée par ligand en introduisant plusieurs espèces comme ligands de plafonnement de surface. Cette méthodologie représente une procédure simple pour la préparation des dispersions des semi-conducteurs colloïdaux 2D emissives.

L'illustration schématique des nanoplaquettes perovskites et de la procédure de synthèse donne un aperçu du matériau et des détails synthétiques (Figure 1). Les images des solutions de nanoplaquet perovskite colloïdale sous la lumière ambiante et UV (Figure 2), combinées aux spectres de photoluminescence et d'absorption (Figure 3) confirment encore la nature émissive et absorptive des nanoplaquettes. Les images TEM (<stro...

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Facile Synthesis of Colloidal Lead Halide Perovskite Nanoplatelets via Ligand-Assisted Reprecipitation

Ce travail démontre la synthèse facile de la température ambiante des nanoplaquettes de perovskite d'halogénure de perovskite colloïdale quantum-confined par la méthode de reprécipitation ligand-assistée. Les nanoplaquettes synthétisées présentent des caractéristiques optiques spectralement étroites et une tunabilité spectrale continue dans toute la gamme visible en variant la composition et les épaisseurs.

Synthèse facile des nanoplaquettes de plomb colloïdal Halide Perovskite via La précipitation assistée par Ligand

In this work, we demonstrate a facile method for colloidal lead halide perovskite nanoplatelet synthesis (Chemical formula: L2[ABX3]n-1BX4, L: ...

Ce protocole démontre la synthèse de température ambiante des nanoplaquettules colloïdaux de perovskite pour de futures applications optoélectroniques. Le principal avantage de cette approche est la flexibilité de composition qu’elle procure. En effectuant des modifications simples aux mélanges précurseurs, différentes nanoplaquettules perovskite peuvent être facilement obtenues.Les perovskites d’halide de plomb sont particulièrement adaptés à la méthode de réacipation assistée par ligand. Contrairement aux semi-conducteurs traditionnels, les liaisons dans le treillis en cristal perovskite peuvent être facilement brisées et réformées à température ambiante. Pour synthétiser et égale aux nanoplaquelettes de bromure de plomb de méthylammonium, mélangez des volumes individuels d’un millilitre des solutions de précurseurs molaires indiquées 0,2 selon le tableau.Pour synthétiser et égaler les nanoplampettes iodées au plomb méthylammonium, mélanger des volumes individuels d’un millilitre des solutions de précurseurs molaires indiquées 0,2 selon le tableau. Pour synthétiser les nanoplaquettules avec des compositions mixtes d’halogénure, combinez le bromure seulement et iodez seulement des solutions précurseurs de nanoplaquettaires perovskite de la même épaisseur au rapport volumétrique désiré pour la composition cible. Pour la synthèse des nanoplaquettaires perovskite, injectez 10 microlitres de chaque solution précurseur mixte dans des aliquots individuels de 10 millilitres de toluène sous agitation vigoureuse.Laissez les solutions en mouvement pendant 10 minutes jusqu’à ce qu’aucun autre changement de couleur ne soit observé pour assurer une cristallisation complète de chacune des nanoplaquettules perovskite. Pour la purification générale des nanoplaquettules perovskite, centrifugez les solutions à 2 050 g pendant 10 minutes et jetez les supernatants. Ensuite, déboursez les nanoplaques dans un volume approprié de solvant selon l’analyse en aval prévue avec vortex.Des images de solutions colloïdales de nanoplaquettaires perovskite sous la lumière ambiante et ultraviolette combinées à des spectres de photoluminescence et d’absorption confirment davantage la nature emissive et absorptive des nanoplaquettules. Les images de microscopie électronique de transmission et les modèles de défraction des rayons X peuvent être utilisés pour estimer les dimensions latérales et empiler les espacements des nanoplaquelets, respectivement, tout en confirmant leurs structures bidimensionnelles. Les spectres d’absorption des solutions nanoplaquettaires perovskite avec halides mélangés démontrent la tunabilité de l’écart de bande.Des spectres de photoluminescence identiques provenant de nanoplaquettules perovskite avec différents ligands démontrent la souplesse compositionnelle des espèces organiques de plafonnement de surface. Il faut noter que le contrôle précis des rapports entre les précurseurs individuels détermine l’épaisseur des nanoplaques résultantes et assure leur homogénéité d’épaisseur. Après la synthèse et la purification des nanoplaquelets, des processus post-synthèse, tels que le dépôt de couches minces, l’encapsulation des polymères et la fabrication d’appareils optoélectroniques, peuvent être effectués en fonction de l’utilisation prévue.Une caractéristique intéressante de cette méthode synthétique est son aptitude à l’expérimentation automatisée et à haut terme, qui peut être utilisé pour générer rapidement de grands ensembles de données pour former des modèles informatiques prédictifs. On croit que les halogénures de plomb sont cancérigènes et que l’inhalation de solvants organiques et de nanoparticules peut être dangereuse. Manipulez tous les produits chimiques dans un environnement bien contenu.

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