Een vleugje magie in de Materiaalchemie: hoe betoverde kristallen bijdragen aan de opto-elektronica
Stel je een wereld voor waarin kristallen niet alleen mooi zijn om naar te kijken, maar ook bevorderlijk voor het ontwikkelen van opto-elektronische toepassingen. Dit is geen fantasieverhaal, maar de realiteit van metaal halogenide perovskieten. In mijn onderzoek ontdekte ik hoe deze bijzondere kristallen betoverd kunnen worden om bij te dragen aan nieuwe LEDs, zonnecellen en scintillatiedetectoren.
De magie van perovskieten
Perovskieten zijn materialen met een kristalstructuur die lijkt op die van het mineraal calciumtitanaat (CaTiO3). Ze hebben uitzonderlijke halfgeleidende eigenschappen die hen zeer geschikt maken voor een reeks toepassingen, van zonnecellen tot LED's en zelfs medische beeldvorming. Ze kunnen dus efficiënt licht absorberen en omzetten in energie. Bovendien kunnen hun optische en elektronische eigenschappen aangepast worden door vreemde atomen in deze kristal roosters te brengen die de chemische samenstelling veranderen. Dit maakt ze uiterst veelzijdig en geschikt voor diverse toepassingen in de elektronica en fotonica.
Betoveren van het kristal
Dit betoveren wordt in de chemie ‘doteren’ genoemd. Dit is het proces waarbij een kleine hoeveelheid van een vreemd element in de perovskiet-structuur wordt toegevoegd voor het verbeteren van zijn eigenschappen. In mijn onderzoek richtte ik me op het doteren van zowel 2D- als 3D-perovskieten met twee verschillende soorten atomen: Mangaan (Mn2+) en Ytterbium (Yb3+). Deze twee werden gekozen vanwege hun potentieel om de fotoluminescente eigenschappen van het perovskiet te verbeteren. Dit is het vermogen van een materiaal om licht uit te zenden wanneer het wordt bestraald met een bepaalde golflengte.
Mangaan, bekend om zijn oranje emissie, werd gebruikt om de eigenschappen van de 2D perovskieten te verbeteren. Ytterbium, daarentegen, staat bekend om zijn emissie in het nabij-infrarode spectrum, wat het interessant maakt voor toepassingen in de telecommunicatie. Het succesvol integreren van deze tovermiddelen in zowel 2D als 3D perovskieten creëert extra emissiebanden voor het perovskiet wat te zien is op afbeelding 2.
Gooi ze in de toverketel
De synthese van deze gedoopte perovskieten is zeer eenvoudig. Voor de 2D perovskieten werden fenethylamine (PEA) en naftylmethylamine (NMA) gebruikt als organische kationen. Deze werden gecombineerd met lood(II)bromide (PbBr2) en de dopants Mn2+ en Yb3+ om kristallen te vormen of filmen. De kristallen werden via oplossingskristallisatie methoden gemaakt. Een voorbeeld is slow evaporation, waarbij je alle ingredienten in een toverketel gooit, roert en wacht tot alle vloeistoffen verdampt zijn. Films werden gemaakt door spin-coating, een techniek die dunne, gelijkmatige lagen van materiaal op een oppervlak creëert door een oplossing op een plaatje te laten roteren. Op figuur 3 is te zien hoe het gevormde perovskiet er op moleculaire schaal uitziet.
Na de synthese volgde een uitgebreide analyse. Fotoluminescentie-analyse toonde aan dat Mn2+ en Yb3+ nieuwe emissiebanden introduceerden bij respectievelijk 600 nm (zichtbaar licht) en 1000 nm (nabij-infrarood). Dit is veelbelovend voor toepassingen waar specifieke golflengtes van licht nodig zijn, zoals in LEDs en zonnecellen. Bovendien bleken de structurele vervormingen van de perovskieten een cruciale rol te spelen in het bepalen van de spectrale emissie.
Meer dan alleen mooi
De nieuwe eigenschappen van gedoteerde perovskieten hebben het potentieel om de industrieën van LED-verlichting en röntgenbeeldvorming te transformeren. Efficiëntere en veelzijdigere LED's betekenen lagere energiekosten en een langere levensduur van verlichtingstoepassingen, wat leidt tot een duurzamere wereld. Verbeterde röntgenscintillatoren kunnen leiden tot nauwkeurigere medische diagnoses en veiligere röntgenbeeldvorming.
Een heldere toekomst
Mijn onderzoek toont aan dat perovskieten het potentieel hebben om een breed scala aan technologieën te verbeteren. Deze kristallen kunnen een sleutelrol spelen in de toekomst van opto-elektronica, waardoor onze wereld duurzamer en efficiënter wordt. De toekomst is helder, dankzij de betoverende kracht van perovskieten. De resultaten van dit onderzoek zijn veelbelovend, maar onderzoek rond perovskieten staan nog in de kinderschoenen. Een van de volgende stappen is het verder optimaliseren van de dopingsprocessen om nog efficiëntere materialen te maken. Wil je meer te weten komen over deze betoverende kristallen? Lees dan zeker mijn bachelorproef!
Bibliografie
1. Sahoo SK, Manoharan B, Sivakumar N. Chapter 1 - Introduction: Why Perovskite and Perovskite Solar Cells? In: Thomas S, Thankappan A, editors. Perovskite Photovoltaics [Internet]. Academic Press; 2018 [cited 2024 May 26]. p. 1–24. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128129159000010&…;
2. Watthage SC, Song Z, Phillips AB, Heben MJ. Chapter 3 - Evolution of Perovskite Solar Cells. In: Thomas S, Thankappan A, editors. Perovskite Photovoltaics [Internet]. Academic Press; 2018 [cited 2024 May 26]. p. 43–88. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128129159000034&…;
3. Laalioui S. Perovskite-Based Solar Cells: From Fundamentals to Tandem Devices. In: Perovskite-Based Solar Cells [Internet]. De Gruyter; 2022 [cited 2024 May 27]. Available from: https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/9783110760613/html
4. Yang X, Ma L, Yu M, Chen HH, Ji Y, Hu A, et al. Focus on perovskite emitters in blue light emitting diodes. Light Sci Appl. 2023 Jul 24;12(1):177.
5. Chenna P, Gandi S, Pookatt S, Parne SR. Perovskite white light emitting diodes: A review. Mater Today Electron. 2023 Sep 1;5:100057.
6. An introduction to Perovskites | Perovskite-Info [Internet]. [cited 2024 May 26]. Available from: https://www.perovskite-info.com/introduction
7. Sun J, Wang K, Ma K, Park JY, Lin ZY, Savoie BM, et al. Emerging Two-Dimensional Organic Semiconductor-Incorporated Perovskites─A Fascinating Family of Hybrid Electronic Materials. J Am Chem Soc. 2023 Sep 27;145(38):20694–715.
8. What does band gap mean? [Internet]. [cited 2024 May 31]. Available from: https://byjus.com/question-answer/what-does-band-gap-mean/
9. Mortier T. Nanotechnologie. Leuven (België): Acco; 2022. 168 p. (2022-2023).
10. Band gap - Energy Education [Internet]. [cited 2024 May 27]. Available from: https://energyeducation.ca/encyclopedia/Band_gap
11. Ossila [Internet]. [cited 2024 May 27]. Exciton: An Introduction. Available from: https://www.ossila.com/pages/what-is-an-exciton
12. Granite. Edinburgh Instruments. [cited 2024 May 27]. Stokes Shift, Fluorescence Spectroscopy. Available from: https://www.edinst.com/blog/what-is-the-stokes-shift/
13. Mir WJ, Sheikh T, Arfin H, Xia Z, Nag A. Lanthanide doping in metal halide perovskite nanocrystals: spectral shifting, quantum cutting and optoelectronic applications. NPG Asia Mater. 2020 Jan 24;12(1):1–9.
14. Ishii A, Miyasaka T. Quantum cutting-induced near-infrared luminescence of Yb3+ and Er3+ in a layer structured perovskite film. J Chem Phys. 2020 Nov 18;153(19):194704.
15. Arickx S. Instrumentele analytische chemie - theorie en oefeningen. campus gasthuisberg: UC Leuven-Limburg; 2023.
16. Arickx S, Mortier T, Chiaverini N. Instrumentele analytische chemie - lab. campus gasthuisberg: UC Leuven-Limburg; 2023.
17. Hybrid Perovskites – Organic Semiconductor Optoelectronics [Internet]. [cited 2024 May 31]. Available from: https://polyopto.wp.st-andrews.ac.uk/research-new/hybrid perovskites/
18. Cortecchia D. Slides Introduction to metal halide perovskite, lecture. Lecture presented at: Lezione metal halide perovskites; 2024 Apr 10; Universita di Bologna.
19. Cortecchia D, Yin J, Petrozza A, Soci C. White light emission in low-dimensional perovskites. J Mater Chem C. 2019 Apr 25;7(17):4956–69.
20. Cortecchia D, Mróz W, Neutzner S, Borzda T, Folpini G, Brescia R, et al. Defect Engineering in 2D Perovskite by Mn(II) Doping for Light-Emitting Applications. Chem. 2019 Aug 8;5(8):2146–58.
21. Ricciarelli D, Meggiolaro D, Belanzoni P, Alothman AA, Mosconi E, De Angelis F. Energy vs Charge Transfer in Manganese-Doped Lead Halide Perovskites. ACS Energy Lett. 2021 May 14;6(5):1869–78.
22. Mayavan A. Comprehensive Review on Downconversion/Downshifting Silicate-Based Phosphors for Solar Cell Applications. ACS Omega. 2024 Apr 6;9(15):16880–92.
23. Lab Manager [Internet]. [cited 2024 May 27]. A Short Guide to Glove Boxes. Available from: https://www.labmanager.com/api/article-section
24. Augello C, Liu H. 12 - Surface modification of magnesium by functional polymer coatings for neural applications. In: Narayanan TSNS, Park IS, Lee MH, editors. Surface Modification of Magnesium and its Alloys for Biomedical Applications [Internet]. Woodhead Publishing; 2015 [cited 2024 May 26]. p. 335–53. (Woodhead Publishing Series in Biomaterials). Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9781782420781000128&…;
25. Deokate R. Chapter 14 - Spin coating/doctor-blading/self-assembly of metal oxide nanostructures. In: Mane R, Jadhav V, Al-Enizi A, editors. Solution Methods for Metal Oxide Nanostructures [Internet]. Elsevier; 2023 [cited 2024 May 26]. p. 293–318. (Metal Oxides). Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128243534000154&…;
26. Mortier T. Moleculaire architectuur. Theorie. Leuven (België): Acco; 2023. 162 p. (2023-2024).
27. What is synchrotron light? [Internet]. [cited 2024 May 27]. Available from: https://www.esrf.fr/home/education/what-is-the-esrf/what-is-synchrotron…;
28. Guida alla spettroscopia Raman [Internet]. [cited 2024 May 27]. Available from: https://www.bruker.com/it/products-and-solutions/infrared-and-raman/ram… spectrometers/what-is-raman-spectroscopy.html
29. Atkins P, de Paula J. Physical Chemistry, Ninth Edition. First. Oxford University Press; 2010. 1010 p. (9th Edition).
30. Roex H. Moleculaire structuuranalyse. Leuven (België): Acco; 2022. 242
31. Cho H, Jeong SH, Park MH, Kim YH, Wolf C, Lee CL, et al. Overcoming the electroluminescence efficiency limitations of perovskite light-emitting diodes. Science. 2015 Dec 4;350(6265):1222–5.
32. Li X, Shen X, Lv Q, Guo P, Xiao L. Metal Halide Perovskites: Promising Materials for Light-Emitting Diodes. Coatings. 2024;14(1):83.
33. X-ray Detectors - Optical Light Detections [Internet]. [cited 2024 May 27]. Available from: https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/xray_detectors_scintillat…
