Cientistas de materiais visam identificar o arranjo atômico de perovskitas híbridas 2D Ruddlesden-Popper (RPP) usando imagens não invasivas; no entanto, o processo é desafiador devido à natureza isolante e à suavidade das camadas orgânicas. Em um novo relatório agora publicado em Science Advances Em um cristal bidimensional de perovskita de haleto de chumbo. A equipe conseguiu isso usando microscopia de tunelamento de varredura e microscopia de força atômica sem contato apoiada com simulações teóricas. Os resultados da microscopia de tunelamento de varredura revelaram a reconstrução atômica da rede inorgânica de haleto de chumbo e composição do cristal, enquanto a microscopia de força atômica forneceu visualização indiscutível da superfície dos materiais e interações de ligação com a rede inorgânica. O método conjunto permitiu que os cientistas obtivessem imagens em escala atômica e potencial eletrostático do material para revelar canais alternativos de elétrons e buracos quase 1-D nos limites gêmeos vizinhos.
Perovskitas híbridas de Ruddlesden-Popper (RPPs)

A equipe de pesquisa descreveu as perovskitas híbridas bidimensionais como uma plataforma notável para aplicações de dispositivos optoeletrônicos. Eles creditaram a produtividade da plataforma a uma estreita ligação entre propriedades excitônicas e estruturas de poços quânticos de camadas orgânicas isolantes macias intercaladas entre estruturas condutoras de haletos de chumbo inorgânicos. A presença da bidimensionalidade levou ao surgimento de muitos fenômenos quânticos, ao mesmo tempo em que melhorou significativamente a estabilidade foto e química e a sintonização das propriedades optoeletrônicas. Com base nos efeitos dielétricos e quânticos exclusivos, Telychko et al estabeleceram as perovskitas como uma classe promissora de materiais para aplicações optoeletrônicas de próxima geração. A equipe mostrou como o relaxamento estrutural de reticulados inorgânicos de perovskitas 2D levou ao surgimento de uma variedade de propriedades de materiais em escala atômica em perovskitas híbridas que até então permaneceram para serem estudadas. Para entender a influência da arquitetura de rede nas propriedades inerentes de interesse, eles usaram inicialmente a microscopia de varredura de tunelamento e a microscopia eletrônica de transmissão de varredura, mas como alguns desses métodos podem causar danos estruturais por meio de colisões de perovskitas com o feixe energético. Telychko et al usaram avanços recentes na imagem de microscopia de força atômica sem contato (nCAFM) baseada em diapasão (qPlus) com uma ponta funcionalizada de monóxido de carbono para estudos resolvidos atomicamente. Os métodos forneceram uma ferramenta ideal para imagens não invasivas em escala sub-angstrom dos cristais de perovskita e suas camadas orgânicas isolantes.

Realizando medições de microscopia de tunelamento de varredura (STM)

Telychko et al selecionaram a família de perovskita de chumbo-iodo para o processo de imagem combinado e descreveram a família de perovskita por meio de uma fórmula química geral. A equipe esfolia mecanicamente os cristais de perovskita em massa para produzir flocos de camada única e de poucas camadas para facilitar o processo de imagem. Usando STM representativo (microscopia de tunelamento de varredura), os pesquisadores obtiveram um padrão periódico semelhante a um dímero. Em contraste, eles notaram que as imagens obtidas em voltagens de polarização negativas continham características difusas abundantes, devido à instabilidade da imagem dos cátions orgânicos.

Medições de microscopia de força atômica sem contato (ncAFM)

Para superar o desafio de imagens não invasivas, a equipe usou em seguida imagens de microscopia de força atômica sem contato (ncAFM) da superfície da perovskita para revelar características "semelhantes a setas" e desvendar a geometria dos cátions orgânicos de butil amônio constituintes (denominados BA ⁺ ). Os pesquisadores revelaram esses recursos ao lado da arquitetura de rede octaédrica inorgânica subjacente por meio de imagens não invasivas de estruturas de perovskita em quase-3D. A equipe obteve uma visão mais profunda da origem do arranjo único de cátions, realizando a teoria funcional da densidade em larga escala e cálculos de van der Waals da perovskita em baixa temperatura para validar a estrutura atômica da perovskita. Desta forma, Telychko et al observaram os limites gêmeos quase-1D da composição do domínio gêmeo de cristais de perovskita pela primeira vez. Eles verificaram a composição do domínio gêmeo, realizando medições de microscopia de força de sonda Kelvin para obter novos insights quantitativos sobre a composição do domínio em nanoescala. Os resultados revelaram o potencial eletrostático polarizado através dos limites gêmeos pela primeira vez para permitir a propagação de excitons de longa distância para melhorar o desempenho de dispositivos fotovoltaicos e optoeletrônicos baseados em perovskita.

Perspectivas

Desta forma, Mykola Telychko, Shayan Edaltmanesh e Kai Leng e colegas combinaram microscopia de tunelamento de varredura (STM) e medições de microscopia de força atômica sem contato (ncAFM) para identificar com precisão a configuração do estado fundamental e a microestrutura das perovskitas híbridas de Ruddlesden-Popper (RPP). O método de imagem STM resolveu a reconstrução atômica do tipo dímero da rede de haleto de chumbo inorgânico subjacente, enquanto o ncAFM facilitou a visualização dos cátions de superfície. A equipe validou os resultados de imagem combinados com cálculos de teoria funcional de densidade, o trabalho forneceu detalhes de estruturas atômicas e a distribuição de potencial eletrostático em todo o domínio gêmeo. Os resultados têm várias implicações para o desempenho optoeletrônico dos filmes 2D de perovskita. Usando o método de imagem combinado e, mais especificamente, contando com ncAFM, a equipe sustentou um tremendo potencial para imagens não invasivas de uma ampla gama de materiais funcionais híbridos orgânicos-inorgânicos macios. A combinação sinérgica de métodos pode facilitar uma visão mais profunda dos fenômenos optoeletrônicos tecnicamente relevantes. + Explorar mais

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