Perowskity należą do najczęściej badanych tematów w naukach o materiałach. Niedawno zespół badawczy kierowany przez prof. LOH Kian Ping, profesora przewodniczącego fizyki i chemii materiałów oraz profesora Global STEM na Wydziale Fizyki Stosowanej Politechniki w Hongkongu (PolyU), dr Kathy LENG, adiunkta na tym samym wydziale wraz z dr Hwą Seobem CHOI, stażystą podoktorskim i pierwszym autorem artykułu badawczego, rozwiązali odwieczne wyzwanie polegające na syntezie całkowicie organicznych dwuwymiarowych perowskitów, rozszerzając pole na ekscytującą dziedzinę materiałów 2D. Ten przełom otwiera nową dziedzinę całkowicie organicznych perowskitów 2D, która jest obiecująca zarówno dla nauk podstawowych, jak i potencjalnych zastosowań. Wyniki badań zatytułowanych „Molekularnie cienkie, dwuwymiarowe, całkowicie organiczne perowskity” opublikowano niedawno w czasopiśmie Science.
Nazwa perowskitów wzięła się od ich strukturalnego podobieństwa do perowskitu z mineralnym tytanianem wapnia i jest dobrze znana ze swoich fascynujących właściwości, które można zastosować w różnorodnych dziedzinach, takich jak ogniwa słoneczne, oświetlenie i kataliza. Dzięki podstawowemu wzorowi chemicznemu ABX3 perowskity mają zdolność precyzyjnego dostrajania poprzez dostosowywanie kationów A i B, a także anionu X, torując drogę do rozwoju materiałów o wysokiej wydajności.
Chociaż perowskit odkryto po raz pierwszy jako związek nieorganiczny, zespół profesora Loha skupił swoją uwagę na wyłaniającej się klasie perowskitów całkowicie organicznych. W tej nowej rodzinie składniki A, B i X to cząsteczki organiczne, a nie pojedyncze atomy, takie jak metale lub tlen. Zasady projektowania tworzenia trójwymiarowych (3D) perowskitów przy użyciu składników organicznych zostały ustalone dopiero niedawno. Co istotne, całkowicie organiczne perowskity oferują wyraźną przewagę nad swoimi całkowicie nieorganicznymi odpowiednikami, ponieważ można je przetwarzać w roztworze i są elastyczne, co umożliwia opłacalną produkcję. Co więcej, manipulując składem chemicznym kryształu, można precyzyjnie zaprojektować cenne właściwości elektromagnetyczne, takie jak właściwości dielektryczne, które znajdują zastosowanie w elektronice i kondensatorach.
Tradycyjnie badacze stoją przed wyzwaniami związanymi z syntezą całkowicie organicznych perowskitów 3D ze względu na ograniczony wybór cząsteczek organicznych, które mogą pasować do struktury kryształu. Dostrzegając to ograniczenie, prof. Loh i jego zespół zaproponowali innowacyjne podejście: syntezę całkowicie organicznych perowskitów w postaci warstw 2D zamiast kryształów 3D. Strategia ta miała na celu przezwyciężenie ograniczeń narzuconych przez nieporęczne cząsteczki i ułatwienie włączenia szerszego zakresu jonów organicznych. Oczekiwanym rezultatem było pojawienie się nowych i niezwykłych właściwości tych materiałów.
Potwierdzając swoje przewidywania, zespół opracował nową ogólną klasę warstwowych perowskitów organicznych. Zgodnie z konwencją nazewnictwa perowskitów nazwali ją „fazą Choi-Loh-v” (CL-v) na cześć dr Choi i profesora Loha. Te perowskity składają się z molekularnie cienkich warstw utrzymywanych razem przez siły utrzymujące razem warstwy grafitu, tak zwane siły van der Waalsa – stąd litera „v” w CL-v. W porównaniu z wcześniej badanymi hybrydowymi perowskitami 2D, faza CL-v jest stabilizowana poprzez dodanie do komórki elementarnej kolejnego kationu B i ma wzór ogólny A2B2X4.
Wykorzystując chemię fazy roztworu, zespół badawczy przygotował materiał CL-v znany jako CMD-N-P2, w którym miejsca A, B i X są zajęte przez CMD (chlorowaną cykliczną cząsteczkę organiczną), jony amonowe i PF6−, odpowiednio. Oczekiwaną strukturę kryształu potwierdzono za pomocą wysokorozdzielczej mikroskopii elektronowej przeprowadzonej w temperaturze kriogenicznej. Te molekularnie cienkie organiczne perowskity 2D zasadniczo różnią się od tradycyjnych minerałów 3D, są monokrystaliczne w dwóch wymiarach i można je złuszczać w postaci sześciokątnych płatków o grubości zaledwie kilku nanometrów – 20 000 razy cieńszych niż ludzki włos.
Przetwarzalność rozwiązań organicznych perowskitów 2D stwarza ekscytujące możliwości ich zastosowania w elektronice 2D. Zespół Poly U przeprowadził pomiary stałych dielektrycznych fazy CL-v, uzyskując wartości w zakresie od 4,8 do 5,5. Wartości te przewyższają wartości powszechnie stosowanych materiałów, takich jak dwutlenek krzemu i sześciokątny azotek boru. Odkrycie to otwiera obiecującą drogę do włączenia fazy CL-v jako warstwy dielektrycznej w urządzeniach elektronicznych 2D, ponieważ urządzenia te często wymagają warstw dielektrycznych 2D o wysokich stałych dielektrycznych, które zazwyczaj są rzadkie. Członek zespołu, dr Leng, z powodzeniem podjął wyzwanie integracji organicznych perowskitów 2D z elektroniką 2D. W ich podejściu fazę CL-v zastosowano jako warstwę dielektryczną górnej bramki, podczas gdy materiał kanału składał się z atomowo cienkiego siarczku molibdenu. Wykorzystując fazę CL-v, tranzystor osiągnął doskonałą kontrolę nad przepływem prądu pomiędzy zaciskami źródła i drenu, przewyższając możliwości konwencjonalnych warstw dielektrycznych tlenku krzemu.
Badania prof. Loha nie tylko ustanawiają zupełnie nową klasę całkowicie organicznych perowskitów, ale także pokazują, w jaki sposób można je przetwarzać w roztworze w połączeniu z zaawansowaną techniką wytwarzania w celu zwiększenia wydajności urządzeń elektronicznych 2D. Rozwój ten otwiera nowe możliwości tworzenia bardziej wydajnych i wszechstronnych systemów elektronicznych.