As perovskitas estão entre os tópicos mais pesquisados ​​na ciência dos materiais. Recentemente, uma equipe de pesquisa da Universidade Politécnica de Hong Kong (PolyU) resolveu um antigo desafio de sintetizar perovskitas bidimensionais totalmente orgânicas, estendendo o campo para o emocionante reino dos materiais 2D.



A equipe foi liderada pelo Prof. Loh Kian Ping, Professor Catedrático de Física e Química de Materiais e Professor Global STEM do Departamento de Física Aplicada, Dra. Pesquisador e primeiro autor do artigo de pesquisa.

Esta descoberta abre um novo campo de perovskitas totalmente orgânicas 2D, que é promissor tanto para a ciência fundamental quanto para aplicações potenciais. Esta pesquisa, intitulada "Perovskitas totalmente orgânicas bidimensionais e molecularmente finas", foi publicada recentemente na revista Science .

As perovskitas recebem esse nome devido à sua semelhança estrutural com o mineral titanato de cálcio perovskita e são bem conhecidas por suas propriedades fascinantes que podem ser aplicadas em campos abrangentes, como células solares, iluminação e catálise. Com uma fórmula química fundamental de ABX₃ , as perovskitas possuem a capacidade de serem ajustadas ajustando os cátions A e B, bem como o ânion X, abrindo caminho para o desenvolvimento de materiais de alto desempenho.

Embora a perovskita tenha sido descoberta pela primeira vez como um composto inorgânico, a equipe do Prof. Loh concentrou sua atenção na classe emergente de perovskitas totalmente orgânicas. Nesta nova família, os constituintes A, B e X são moléculas orgânicas em vez de átomos individuais como metais ou oxigênio.

Os princípios de design para a criação de perovskitas tridimensionais (3D) usando componentes orgânicos só foram estabelecidos recentemente. Significativamente, as perovskitas totalmente orgânicas oferecem vantagens distintas sobre suas contrapartes totalmente inorgânicas, pois são processáveis ​​em solução e flexíveis, permitindo uma fabricação econômica.

Além disso, ao manipular a composição química do cristal, propriedades eletromagnéticas valiosas, como propriedades dielétricas, que encontram aplicações em eletrônica e capacitores, podem ser projetadas com precisão.

Tradicionalmente, os pesquisadores enfrentam desafios na síntese de perovskitas 3D totalmente orgânicas devido à seleção restrita de moléculas orgânicas que podem se ajustar à estrutura cristalina. Reconhecendo esta limitação, o Prof. Loh e sua equipe propuseram uma abordagem inovadora:sintetizar perovskitas totalmente orgânicas na forma de camadas 2D em vez de cristais 3D.

Esta estratégia teve como objetivo superar as restrições impostas por moléculas volumosas e facilitar a incorporação de uma gama mais ampla de íons orgânicos. O resultado esperado foi o surgimento de propriedades novas e extraordinárias nestes materiais.

Validando a sua previsão, a equipe desenvolveu uma nova classe geral de perovskitas orgânicas em camadas. Seguindo a convenção para nomenclatura de perovskitas, eles a chamaram de "fase Choi-Loh-v" (CL-v) em homenagem ao Dr.

Essas perovskitas compreendem camadas molecularmente finas mantidas unidas por forças que mantêm as camadas de grafite unidas, as chamadas forças de van der Waals - daí o "v" em CL-v. Em comparação com as perovskitas 2D híbridas previamente estudadas, a fase CL-v é estabilizada pela adição de outro cátion B na célula unitária e tem a fórmula geral A₂ B₂ X₄ .

Usando química em fase de solução, a equipe de pesquisa preparou um material CL-v conhecido como CMD-NP₂ , em que os sítios A, B e X são ocupados por CMD (uma molécula orgânica cíclica clorada), amônio e PF₆ ⁻ íons, respectivamente. A estrutura cristalina esperada foi confirmada por microscopia eletrônica de alta resolução realizada em temperatura criogênica.

Essas perovskitas orgânicas 2D molecularmente finas são fundamentalmente diferentes dos minerais 3D tradicionais, são cristalinas únicas em duas dimensões e podem ser esfoliadas como flocos hexagonais com apenas alguns nanômetros de espessura – 20.000 vezes mais finos que um fio de cabelo humano.

A processabilidade da solução das perovskitas orgânicas 2D apresenta oportunidades interessantes para sua aplicação em eletrônica 2D. A equipe da Poly U conduziu medições nas constantes dielétricas da fase CL-v, produzindo valores variando de 4,8 a 5,5. Esses valores superam os de materiais comumente usados, como dióxido de silício e nitreto de boro hexagonal.

Esta descoberta estabelece um caminho promissor para a incorporação da fase CL-v como uma camada dielétrica em dispositivos eletrônicos 2D, já que esses dispositivos geralmente necessitam de camadas dielétricas 2D com altas constantes dielétricas, que normalmente são escassas.

O membro da equipe, Dr. Leng, abordou com sucesso o desafio de integrar perovskitas orgânicas 2D com eletrônica 2D. Em sua abordagem, a fase CL-v foi empregada como camada dielétrica da porta superior, enquanto o material do canal consistia em sulfeto de molibdênio atomicamente fino.

Ao utilizar a fase CL-v, o transistor alcançou controle superior sobre o fluxo de corrente entre os terminais fonte e dreno, superando as capacidades das camadas dielétricas de óxido de silício convencionais.

A pesquisa do Prof. Loh não apenas estabelece uma classe inteiramente nova de perovskitas totalmente orgânicas, mas também demonstra como elas podem ser processadas em solução em conjunto com técnicas de fabricação avançadas para melhorar o desempenho de dispositivos eletrônicos 2D. Estes desenvolvimentos abrem novas possibilidades para a criação de sistemas eletrónicos mais eficientes e versáteis.

Mais informações: Hwa Seob Choi et al, Perovskitas totalmente orgânicas bidimensionais, molecularmente finas, Ciência (2024). DOI:10.1126/science.adk8912
Informações do diário: Ciência

Fornecido pela Universidade Politécnica de Hong Kong