Нанокристаллы перовскита обещают усовершенствовать самые разнообразные оптоэлектронные устройства — от лазеров до светодиодов — но проблемы с их долговечностью по-прежнему ограничивают широкое коммерческое использование материала.

Исследователи из Технологического института Джорджии продемонстрировали новый подход, направленный на решение проблемы долговечности материала: заключить перовскит в двухслойную защитную систему из пластика и диоксида кремния.

В исследовании, опубликованном 29 ноября в журнале Science Advances , исследовательская группа описывает многоэтапный процесс получения нанокристаллов перовскита в оболочке, которые демонстрируют сильную устойчивость к деградации во влажных средах.

«Нанокристаллы перовскита очень чувствительны к деградации, особенно когда они вступают в контакт с водой», — сказал Жицин Лин, профессор Технологической школы материаловедения и инженерии штата Джорджия. «Эта система с двумя оболочками предлагает два уровня защиты, позволяя каждому нанокристаллу оставаться отдельным и отдельным элементом, достигая максимальной площади поверхности и других физических характеристик перовскита, необходимых для оптимизации оптоэлектронных приложений».

Данное открытие можно будет использовать в различных отраслях. Так, например покрывать экраны телевизоров, планшетных компьютеров и телефонов защитным слоем. На данный момент лучшем решением для защиты экрана смартфона от пыли и повреждений является всё-таки защитная пленка на телефон.

Термин перовскит относится к кристаллической структуре материала, которая обычно состоит из трех частей: двух катионов разных размеров и аниона между ними. В течение десятилетий исследователи тестировали замену различных химикатов в структуре для достижения уникальных характеристик. В частности, перовскиты, содержащие галогенидные соединения, такие как бромид и йод, могут действовать как поглотители и излучатели света.

В этом исследовании, которое было поддержано Управлением научных исследований ВВС, Национальным научным фондом, Агентством по уменьшению угрозы обороны и Министерством энергетики, группа Лин работала с одной из наиболее распространенных галогенидных конфигураций, которая образуется из метиламмония. , свинца и бромида.

Их процесс включает в себя сначала формирование звездчатых пластиковых молекул, которые могли бы служить «нанореакторами» путем выращивания 21 полимерного плеча на простой молекуле сахара. Затем, как только химические вещества-прекурсоры для нанокристаллов диоксида кремния и перовскита загружаются в пластиковую молекулу, несколько стадий химических реакций дают конечную систему.

После того как звездообразный пластик сыграл свою роль в качестве нанореактора, звездообразные компоненты остаются постоянно прикрепленными, почти как волосы, к кремнезему, который заключает в себе перовскит. Волосы тогда служат первым слоем защиты, отталкивая воду и предотвращая слипание нанокристаллов. Последующий слой кремнезема обеспечивает дополнительную защиту в случае попадания воды через водоотталкивающие пластмассовые волосы.

«Синтез и применение нанокристаллов перовскита были быстро развивающейся областью исследований в течение последних пяти лет», — сказал Янцзе Хе, соавтор газеты и бывший аспирант в Georgia Tech. «Наша стратегия, основанная на разумно спроектированном звездообразном пластике в качестве нанореактора, обеспечивает беспрецедентный контроль при изготовлении высококачественных нанокристаллов перовскита со сложной архитектурой, который недоступен в традиционных подходах».

Чтобы проверить материал, исследователи покрыли стеклянные подложки тонкой пленкой инкапсулированных перовскитов и провели несколько стресс-тестов, включая погружение всего образца в деионизированную воду. Освещая образец ультрафиолетовым светом, они обнаружили, что фотолюминесцентные свойства перовскитов никогда не снижались в течение 30-минутного теста. Для сравнения, исследователи также погружали некапсулированные перовскиты в воду и наблюдали, как их фотолюминесценция исчезла в считанные секунды.

Лин сказал, что новый метод открывает возможность настройки характеристик поверхности нанокристалла с двойной оболочкой для повышения его производительности в более широком диапазоне применений. Процесс изготовления новых нанокристаллов перовскита из звездообразного пластика также уникален тем, что в нем используются растворители с низкой температурой кипения и низкой токсичностью. Будущие исследования могут быть сосредоточены на разработке различных нанокристаллических систем перовскита, в том числе неорганических перовскитов, двойных перовскитов и легированных перовскитов.

«Мы предполагаем, что этот тип нанокристаллов перовскита окажется очень полезным для создания долговечных оптоэлектронных устройств для биовизуализации, биосенсоров, фотонных датчиков и обнаружения излучения, а также светодиодов, лазеров и сцинтилляторов следующего поколения», — сказал Лин. «Это связано с тем, что эти волосистые нанокристаллы перовскита обладают уникальными преимуществами, включая высокую устойчивость к дефектам, более узкие полосы излучения и высокую эффективность сцинтилляции».