페로브스카이트 재료: 전자제품부터 청정 에너지까지 광범위한 응용 분야에 대한 심층 분석

과학자들은 전자, 에너지 저장, 레이저, 광전자 공학, 포도당 센서 등을 포괄하는 광범위한 응용 분야가 있는 이 물질을 더 잘 이해하기 위해 페로브스카이트에 대해 더 깊이 조사하고 있습니다.

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?

과학자들은 전자, 에너지 저장, 레이저, 광전자 공학, 포도당 센서 등을 포괄하는 광범위한 응용 분야가 있는 이 물질을 더 잘 이해하기 위해 페로브스카이트에 대해 더 깊이 조사하고 있습니다. 하지만 정확히 무엇입니까?

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.

페로브스카이트는 칼슘, 티타늄, 산소로 구성된 천연 광물로 CaTiO₃의 결정 구조를 갖거나 화학식 ABX3을 갖습니다. 1839년 러시아에서 처음 발견되었습니다. 광물 페로브스카이트와 동일한 결정 구조를 가진 재료 종류를 페로브스카이트 재료라고도 합니다.

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.

페로브스카이트의 촉매 활성 및 산소 수송 능력을 포함한 강유전성, 유전체, 압전 및 초전성 거동과 화학적 특성과 같은 탁월한 물리적 특성은 페로브스카이트를 재료 과학에서 가장 중요한 구조 클래스 중 하나로 만듭니다. 이로 인해 연료 전지, 메모리 장치 및 광전지 응용 분야의 잠재적인 후보가 되었습니다.

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.

또한 햇빛을 전기로 변환하고 청정 에너지를 획득하고 유기 오염 물질을 분해하기 위해 태양 전지에 사용할 수도 있습니다.

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

모든 종류의 다양한 산업을 고려할 때 페로브스카이트는 잠재적으로 발전에 도움이 될 수 있으며 과학자들이 이를 더 잘 이해하려고 노력하는 것이 합리적입니다.

Understanding Perovskite at Atomic Level for Better Control

더 나은 제어를 위해 원자 수준에서 페로브스카이트 이해

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.

미국 국립과학재단(National Science Foundation)의 지원을 받아 노스캐롤라이나 주립대학교(North Carolina State University) 연구진이 분자 수준에서 층상 하이브리드 페로브스카이트(LHP)를 연구하여 생성하는 방법을 발견했습니다.

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.

이러한 혁신을 통해 LHP의 발광 특성을 전례 없이 제어할 수 있게 되었으며 레이저 및 LED 기술이 크게 발전할 수 있게 되었습니다. 또한 광전지 장치에 사용하기 위한 다른 재료를 엔지니어링하는 데에도 가능성이 있습니다.

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.

연구에 따르면 층상 하이브리드 페로브스카이트(LHP)는 차세대 에너지 및 광자 응용 분야를 위한 유망한 반도체로 부상했습니다. 여기서 양자 우물(QW)의 분포, 크기 및 방향을 제어하는 ​​것은 매우 중요합니다.

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

LHP는 매우 얇은 페로브스카이트 반도체 재료 시트로 구성됩니다. 이 시트는 얇은 유기 "스페이서" 층에 의해 서로 분리됩니다.

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.

여러 장의 페로브스카이트 및 "스페이서" 층으로 구성된 이러한 얇은 필름이 전하를 효율적으로 빛으로 변환할 수 있다는 점을 감안할 때 LHP는 수년 동안 연구 커뮤니티에서 상당한 관심을 받아 왔습니다. 그러나 성능 특성을 제어하기 위해 엔지니어링하는 방법에 대한 이해는 여전히 제한적입니다.

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

이를 이해하려면 '스페이서' 층 사이에 끼어 있는 반도체 재료 시트인 양자 우물부터 시작해야 합니다.

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.

이는 LHP에서 형성되는 층입니다. 그리고 2원자 두께의 양자우물은 5원자 두께의 양자우물보다 더 높은 에너지를 가지고 있습니다.

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.

분자 수준에서는 에너지가 고에너지 구조에서 저에너지 구조로 흐르기 때문에 2~5원자 두께의 양자우물 사이에 3~4원자 두께의 양자우물이 있어야 에너지가 효율적으로 흐를 수 있다.

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

"기본적으로 에너지가 계단식으로 흘러내릴 수 있는 점진적인 경사를 원합니다."

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

– Kenan Gundogdu, 논문 공동 저자이자 NC State 물리학 교수

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.

그러나 사람들은 LHP를 연구할 때 계속해서 이상 현상에 부딪혔습니다. 이상 현상은 X선 회절을 통해 관찰한 LHP 샘플의 양자 우물 크기 분포로, 광학 분광학을 사용하여 감지한 것과 다릅니다.

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.

논문의 교신저자이자 NC 주립대학교 재료과학 및 공학 교수인 Aram Amassian은 회절을 통해 양자 우물이 2원자 두께를 가지며 3D 벌크 결정의 일부임을 나타낼 수 있는 방법을 설명했습니다. 한편, 분광학은 3차원 벌크 상의 존재 외에도 양자 우물의 원자 두께가 2, 3, 4임을 밝힐 수 있습니다.

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?

그래서 팀은 답을 찾기 위해 나섰습니다. 왜 둘 사이에 이러한 단절이 존재하며, LHP에서 양자 우물의 크기와 분포를 어떻게 제어할 수 있습니까?

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.

실험을 통해 팀은 나노혈소판(NPL)이 핵심 역할을 한다는 것을 발견했습니다. NPL은 연구원들이 LHP를 만드는 데 사용한 용액 표면에 자발적으로 형성되는 개별 페로브스카이트 재료 시트입니다.

“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.

"우리는 이러한 나노판이 본질적으로 그 아래에 형성되는 층상 물질의 주형 역할을 한다는 것을 발견했습니다."라고 Amassian은 말하면서 나노판의 원자 두께가 그 아래에 있는 LHP의 두께를 결정한다는 점을 지적했습니다.

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

그러나 나노판은 안정적이지 않으며 두께가 계속 증가하여 시간이 지남에 따라 새로운 원자 층이 추가됩니다.

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

“결국 나노판은 너무 두꺼워져서 3차원 결정이 됩니다.”

– Amassian

– 아마시안

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

따라서 이 이상 현상은 회절이 시트의 적층을 감지하지만 나노판은 감지하지 못하기 때문에 발생하는 반면, 광학 분광학은 분리된 시트를 감지합니다. 그는 다음과 같이 덧붙였습니다.

“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.”

"흥미로운 점은 LHP 필름에서 양자 우물의 크기와 분포를 본질적으로 조정하여 제어된 방식으로 나노판의 성장을 본질적으로 멈출 수 있다는 것입니다."

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

이를 통해 연구자들은 높은 재현성과 낮은 성능에 필수적인 뛰어난 에너지 캐스케이드를 얻을 수 있습니다.