Perowskit-Materialien: Ein tiefer Einblick in ihre vielfältigen Anwendungen, von der Elektronik bis zur sauberen Energie

Wissenschaftler befassen sich eingehender mit Perowskit, um dieses Material besser zu verstehen, das vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Elektronik, Energiespeicherung, Laser, Optoelektronik, Glukosesensoren und mehr bietet.

Scientists are taking a deeper dive into perovskite to better understand this material, which has vast applications covering electronics, energy storage, lasers, optoelectronics, glucose sensors, and more. But what is it exactly?

Wissenschaftler befassen sich eingehender mit Perowskit, um dieses Material besser zu verstehen, das vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Elektronik, Energiespeicherung, Laser, Optoelektronik, Glukosesensoren und mehr bietet. Aber was ist das genau?

Perovskite is a natural mineral made of calcium, titanium, and oxygen with the crystal structure of CaTiO₃ or having the formula ABX3. It was first discovered in 1839 in Russia. A class of materials with the same crystal structure as the mineral perovskite are also known as perovskite materials.

Perowskit ist ein natürliches Mineral aus Kalzium, Titan und Sauerstoff mit der Kristallstruktur von CaTiO₃ oder der Formel ABX3. Es wurde erstmals 1839 in Russland entdeckt. Eine Klasse von Materialien mit der gleichen Kristallstruktur wie das Mineral Perowskit wird auch als Perowskit-Materialien bezeichnet.

The exceptional physical properties such as ferroelectric, dielectric, piezoelectric, and pyroelectric behavior and chemical properties, including catalytic activity and oxygen transport capability of perovskite, make them one of the most important structure classes in material science. This makes them a potential candidate for applications in fuel cells, memory devices, and photovoltaics.

Die außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften wie ferroelektrisches, dielektrisches, piezoelektrisches und pyroelektrisches Verhalten sowie chemische Eigenschaften, einschließlich katalytischer Aktivität und Sauerstofftransportfähigkeit von Perowskit, machen sie zu einer der wichtigsten Strukturklassen in der Materialwissenschaft. Dies macht sie zu potenziellen Kandidaten für Anwendungen in Brennstoffzellen, Speichergeräten und Photovoltaik.

They can also be used in solar cells to convert sunlight into electricity, as well as for the acquisition of clean energy and the degradation of organic pollutants.

Sie können auch in Solarzellen zur Umwandlung von Sonnenlicht in Strom sowie zur Gewinnung sauberer Energie und zum Abbau organischer Schadstoffe eingesetzt werden.

Given all kinds of different industries, perovskite can potentially help advance, it makes sense that scientists are trying to understand it better.

Da Perowskit in den unterschiedlichsten Branchen potenziell zum Fortschritt beitragen kann, macht es Sinn, dass Wissenschaftler versuchen, es besser zu verstehen.

Understanding Perovskite at Atomic Level for Better Control

Verständnis von Perowskit auf atomarer Ebene für eine bessere Kontrolle

Researchers from North Carolina State University, with support from the National Science Foundation, have discovered a way to create layered hybrid perovskites (LHPs) by studying them at the molecular level.

Forscher der North Carolina State University haben mit Unterstützung der National Science Foundation eine Möglichkeit entdeckt, geschichtete Hybridperowskite (LHPs) herzustellen, indem sie sie auf molekularer Ebene untersuchen.

This breakthrough allows for unprecedented control over LHPs' light-emitting properties and can lead to significant advancements in laser and LED technologies. It also holds promise for engineering other materials for use in photovoltaic devices.

Dieser Durchbruch ermöglicht eine beispiellose Kontrolle über die Lichtemissionseigenschaften von LHPs und kann zu erheblichen Fortschritten in der Laser- und LED-Technologie führen. Es verspricht auch die Entwicklung anderer Materialien für den Einsatz in Photovoltaikgeräten.

Layered hybrid perovskites (LHPs), according to the research, have emerged as promising semiconductors for next-generation energy and photonic applications. Here, controlling the distribution, size, and orientation of quantum wells (QWs) is extremely important.

Der Studie zufolge haben sich geschichtete Hybridperowskite (LHPs) als vielversprechende Halbleiter für Energie- und Photonikanwendungen der nächsten Generation erwiesen. Hier ist die Kontrolle der Verteilung, Größe und Ausrichtung von Quantentöpfen (QWs) äußerst wichtig.

LHPs are made up of very thin sheets of perovskite semiconductor material. These sheets are separated from each other by thin organic “spacer” layers.

LHPs bestehen aus sehr dünnen Schichten aus Perowskit-Halbleitermaterial. Diese Schichten sind durch dünne organische „Abstands“-Schichten voneinander getrennt.

Given that these thin films of multiple sheets of perovskite and “spacer” layers can efficiently convert electrical charge into light, LHPs have been of considerable interest to the research community for years. However, there is still limited understanding of how to engineer them to control their performance characteristics.

Da diese dünnen Filme aus mehreren Schichten Perowskit und „Abstandsschichten“ elektrische Ladung effizient in Licht umwandeln können, sind LHPs seit Jahren von großem Interesse für die Forschungsgemeinschaft. Allerdings gibt es immer noch begrenzte Erkenntnisse darüber, wie man sie so konstruieren kann, dass ihre Leistungsmerkmale gesteuert werden.

To understand them, we have to start with quantum wells, which are sheets of semiconductor material jammed between ‘spacer' layers.

Um sie zu verstehen, müssen wir mit Quantentöpfen beginnen, bei denen es sich um Schichten aus Halbleitermaterial handelt, die zwischen „Abstands“-Schichten eingeklemmt sind.

They are the layers that form in LHPs. And a two-atom thick quantum well has higher energy than the one that is five atoms thick.

Sie sind die Schichten, die sich in LHPs bilden. Und ein Quantentopf mit einer Dicke von zwei Atomen hat eine höhere Energie als einer mit einer Dicke von fünf Atomen.

Because energy flows from high-energy structures to low-energy structures at the molecular level, we need to have three and four atoms-thick quantum wells between the two and five atoms-thick quantum wells, allowing the energy to flow efficiently.

Da die Energie auf molekularer Ebene von hochenergetischen Strukturen zu niederenergetischen Strukturen fließt, benötigen wir Quantentöpfe mit einer Dicke von drei und vier Atomen zwischen den Quantentöpfen mit einer Dicke von zwei und fünf Atomen, damit die Energie effizient fließen kann.

“You basically want to have a gradual slope that the energy can cascade down.”

„Grundsätzlich möchte man ein allmähliches Gefälle haben, damit die Energie kaskadenförmig nach unten fließen kann.“

– Kenan Gundogdu, co-author of the paper and a professor of physics at NC State

– Kenan Gundogdu, Co-Autor des Artikels und Professor für Physik an der NC State

However, people kept running into an anomaly when studying LHPs. The anomaly is the size distribution of quantum wells in an LHP sample observed through X-ray diffraction, which is different from what's detected using optical spectroscopy.

Bei der Untersuchung von LHPs stießen die Leute jedoch immer wieder auf eine Anomalie. Die Anomalie ist die durch Röntgenbeugung beobachtete Größenverteilung der Quantentöpfe in einer LHP-Probe, die sich von der mit optischer Spektroskopie nachgewiesenen unterscheidet.

Aram Amassian, the paper's corresponding author and a professor of materials science and engineering at NC State University, illustrated how diffraction can indicate that quantum wells have a two-atom thickness and are part of a 3D bulk crystal. Meanwhile, spectroscopy can reveal that the quantum wells are two, three, and four atoms thick, in addition to the presence of the three-dimensional bulk phase.

Aram Amassian, korrespondierender Autor des Papiers und Professor für Materialwissenschaften und -technik an der NC State University, veranschaulichte, wie Beugung darauf hinweisen kann, dass Quantentöpfe eine Dicke von zwei Atomen haben und Teil eines dreidimensionalen Volumenkristalls sind. Mittlerweile kann die Spektroskopie zusätzlich zum Vorhandensein der dreidimensionalen Volumenphase zeigen, dass die Quantentöpfe zwei, drei und vier Atome dick sind.

So, the team went to look for answers: Why is there this disconnect between the two, and how can quantum wells' size and distribution in LHPs be controlled?

Also machte sich das Team auf die Suche nach Antworten: Warum gibt es diese Diskrepanz zwischen den beiden und wie können Größe und Verteilung von Quantentöpfen in LHPs kontrolliert werden?

Through experiments, the team discovered nanoplatelets (NPLs) to be the key player. NPLs are individual sheets of perovskite material that form spontaneously on the surface of the solution the researchers used to create LHPs.

Durch Experimente entdeckte das Team, dass Nanoplättchen (NPLs) der Schlüsselfaktor sind. NPLs sind einzelne Schichten aus Perowskitmaterial, die sich spontan auf der Oberfläche der Lösung bilden, die die Forscher zur Herstellung von LHPs verwendet haben.

“We found that these nanoplatelets essentially serve as templates for layered materials that form under them,” said Amassian, noting that the atomic thickness of nanoplatelets dictates the thickness of LHP beneath it.

„Wir haben herausgefunden, dass diese Nanoplättchen im Wesentlichen als Vorlagen für geschichtete Materialien dienen, die sich unter ihnen bilden“, sagte Amassian und stellte fest, dass die atomare Dicke der Nanoplättchen die Dicke des darunter liegenden LHP bestimmt.

However, the nanoplatelets aren't stable, and their thickness keeps on growing, adding new layers of atoms over time.

Allerdings sind die Nanoplättchen nicht stabil und ihre Dicke nimmt immer weiter zu, sodass mit der Zeit neue Atomschichten entstehen.

“Eventually, the nanoplatelet grows so thick that it becomes a three-dimensional crystal.”

„Schließlich wird das Nanoplättchen so dick, dass es zu einem dreidimensionalen Kristall wird.“

– Amassian

– Amassian

So, the anomaly was due to diffraction detecting the stacking of sheets but not nanoplatelets, while optical spectroscopy detects isolated sheets. He added:

Die Anomalie war also auf die Beugung zurückzuführen, die das Stapeln von Schichten, nicht jedoch auf Nanoplättchen, aufspürte, während die optische Spektroskopie isolierte Schichten aufspürte. Er fügte hinzu:

“What's exciting is that we found we can essentially stop the growth of nanoplatelets in a controlled way, essentially tuning the size and distribution of quantum wells in LHP films.”

„Das Spannende ist, dass wir herausgefunden haben, dass wir das Wachstum von Nanoplättchen im Wesentlichen auf kontrollierte Weise stoppen können, indem wir im Wesentlichen die Größe und Verteilung von Quantentöpfen in LHP-Filmen anpassen.“

By doing so, researchers can attain superb energy cascades, which are essential for high reproducibility, low

Auf diese Weise können Forscher hervorragende Energiekaskaden erzielen, die für eine hohe Reproduzierbarkeit bei niedrigen Temperaturen unerlässlich sind