ペロブスカイト材料: エレクトロニクスからクリーン エネルギーまで、その広大な用途を深く掘り下げる

科学者たちは、エレクトロニクス、エネルギー貯蔵、レーザー、オプトエレクトロニクス、グルコースセンサーなどをカバーする広大な用途を持つこの材料をより深く理解するために、ペロブスカイトについてさらに深く調査しています。

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?

科学者たちは、エレクトロニクス、エネルギー貯蔵、レーザー、オプトエレクトロニクス、グルコースセンサーなどをカバーする広大な用途を持つこの材料をより深く理解するために、ペロブスカイトについてさらに深く調査しています。しかし、それは正確には何でしょうか？

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.

ペロブスカイトは、カルシウム、チタン、酸素でできた天然鉱物で、CaTiO3 の結晶構造または式 ABX3 を持ちます。 1839年にロシアで初めて発見されました。鉱物ペロブスカイトと同じ結晶構造を持つ材料の一種は、ペロブスカイト材料としても知られています。

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.

ペロブスカイトの強誘電性、誘電性、圧電性、焦電性の挙動などの優れた物理的特性と、触媒活性や酸素輸送能力などの化学的特性により、ペロブスカイトは材料科学において最も重要な構造クラスの 1 つとなっています。このため、燃料電池、メモリデバイス、太陽光発電の用途の潜在的な候補となっています。

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.

また、太陽光を電気に変換する太陽電池や、クリーン エネルギーの獲得や有機汚染物質の分解にも使用できます。

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

あらゆる種類の異なる産業を考慮すると、ペロブスカイトが発展に役立つ可能性があることを考えると、科学者がペロブスカイトをより深く理解しようとしているのは当然です。

Understanding Perovskite at Atomic Level for Better Control

ペロブスカイトを原子レベルで理解して制御を改善する

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.

ノースカロライナ州立大学の研究者らは、国立科学財団の支援を受けて、層状ハイブリッドペロブスカイト（LHP）を分子レベルで研究することで作成する方法を発見した。

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.

この画期的な進歩により、LHP の発光特性に対する前例のない制御が可能になり、レーザーおよび LED 技術の大幅な進歩につながる可能性があります。また、光起電力デバイスで使用する他の材料のエンジニアリングにも期待されています。

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.

研究によれば、層状ハイブリッドペロブスカイト（LHP）は、次世代エネルギーおよびフォトニクス応用のための有望な半導体として浮上している。ここでは、量子井戸 (QW) の分布、サイズ、配向を制御することが非常に重要です。

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

LHP は、ペロブスカイト半導体材料の非常に薄いシートで構成されています。これらのシートは、薄い有機「スペーサー」層によって互いに分離されています。

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.

ペロブスカイトの複数のシートと「スペーサー」層のこれらの薄膜が電荷を効率的に光に変換できることを考えると、LHP は研究コミュニティにとって長年にわたって大きな関心を集めてきました。ただし、パフォーマンス特性を制御するためにそれらを設計する方法についての理解はまだ限られています。

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

それらを理解するには、「スペーサー」層の間に挟まれた半導体材料のシートである量子井戸から始める必要があります。

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.

これらは、LHP 内に形成されるレイヤーです。また、原子 2 枚の厚さの量子井戸は、原子 5 枚の厚さの量子井戸よりも高いエネルギーを持っています。

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.

エネルギーは分子レベルで高エネルギー構造から低エネルギー構造に流れるため、エネルギーが効率的に流れるようにするには、2 ～ 5 原子の厚さの量子井戸の間に 3 ～ 4 原子の厚さの量子井戸が必要です。

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

「基本的には、エネルギーがカスケード状に流れるような緩やかな傾斜が必要です。」

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

– Kenan Gundogdu、論文の共著者、ノースカロライナ州立大学物理学教授

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.

しかし、人々は LHP を研究しているときに異常に遭遇し続けました。この異常は、X 線回折によって観察される LHP サンプル内の量子井戸のサイズ分布であり、光学分光法を使用して検出されるものとは異なります。

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.

この論文の責任著者であり、ノースカロライナ州立大学の材料科学および工学教授であるアラム・アマシアン氏は、量子井戸が原子 2 個分の厚さを持ち、3D バルク結晶の一部であることが回折によってどのように示されるかを説明しました。一方、分光法では、三次元バルク相の存在に加えて、量子井戸の厚さが原子 2 個、3 個、および 4 個であることが明らかになります。

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?

そこでチームは、なぜ両者の間にこのような断絶が存在するのか、LHP 内の量子井戸のサイズと分布はどのように制御できるのか、という答えを探し始めました。

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.

研究チームは実験を通じて、ナノ血小板（NPL）が主要な役割を果たしていることが判明した。 NPL は、研究者が LHP を作成するために使用した溶液の表面に自然発生的に形成されるペロブスカイト材料の個々のシートです。

“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.

「これらのナノプレートレットは本質的に、その下に形成される層状物質のテンプレートとして機能することがわかりました」とアマシアン氏は述べ、ナノプレートレットの原子の厚さがその下のLHPの厚さを決定すると指摘した。

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

ただし、ナノプレートレットは安定しておらず、その厚さは増加し続け、時間の経過とともに新しい原子の層が追加されます。

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

「最終的に、ナノプレートレットは非常に厚く成長し、三次元の結晶になります。」

– Amassian

– アマッシアン

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

したがって、異常は、光学分光法が孤立したシートを検出するのに対し、ナノプレートレットではなくシートの積み重ねを検出する回折によるものでした。彼はこう付け加えた。

“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.”

「興味深いのは、本質的にLHP膜の量子井戸のサイズと分布を調整することで、制御された方法でナノプレートレットの成長を本質的に停止できることがわかったことです。」

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

そうすることで、研究者は高い再現性、低エネルギー化に不可欠な優れたエネルギーカスケードを達成できます。