2D 완전 유기 페로브스카이트: 2D 전자 장치에서의 잠재적 사용

페로브스카이트는 재료과학 분야에서 가장 많이 연구되는 주제 중 하나입니다. 최근 홍콩이공대학교(PolyU) 응용물리학과 재료물리학 및 화학 석좌교수이자 글로벌 STEM 교수인 LOH Kian Ping 교수, 같은 학과의 조교수인 Kathy LENG 박사가 이끄는 연구팀 , 박사후 연구원이자 연구 논문의 첫 번째 저자인 최화섭 박사와 함께 모든 유기 2차원 페로브스카이트를 합성하는 오래된 과제를 해결하여 해당 분야를 2D 재료의 흥미로운 영역으로 확장했습니다. 이 획기적인 발전은 기초 과학과 잠재적 응용 모두에 대한 가능성을 지닌 2D 완전 유기 페로브스카이트의 새로운 분야를 열었습니다. ‘분자적으로 얇은 2차원 완전 유기 페로브스카이트’라는 제목의 이번 연구는 최근 저널에 게재됐다. 과학.

페로브스카이트는 광물성 티탄산칼슘 페로브스카이트와 구조가 유사하다고 해서 붙여진 이름으로, 태양전지, 조명, 촉매 등 폭넓은 분야에 응용할 수 있는 매력적인 특성으로 잘 알려져 있다. 페로브스카이트는 ABX3라는 기본 화학식을 바탕으로 X 음이온은 물론 A, B 양이온까지 미세하게 조정하는 능력을 갖고 있어 고성능 소재 개발의 기반을 마련하고 있다.

페로브스카이트는 무기 화합물로 처음 발견되었지만 Loh 교수 팀은 새로운 종류의 완전 유기 페로브스카이트에 관심을 집중해 왔습니다. 이 새로운 계열에서 A, B 및 X 구성 요소는 금속이나 산소와 같은 개별 원자가 아닌 유기 분자입니다. 유기 성분을 사용하여 3차원(3D) 페로브스카이트를 생성하기 위한 설계 원리는 최근에야 확립되었습니다. 중요한 점은, 완전 유기 페로브스카이트는 용액 처리가 가능하고 유연하여 비용 효율적인 제조가 가능하다는 점에서 완전 무기 페로브스카이트에 비해 뚜렷한 이점을 제공한다는 것입니다. 또한 결정의 화학적 조성을 조작함으로써 전자 제품 및 커패시터에 응용되는 유전 특성과 같은 귀중한 전자기 특성을 정밀하게 설계할 수 있습니다.

전통적으로 연구자들은 결정 구조에 맞는 유기 분자의 제한된 선택으로 인해 완전 유기 3D 페로브스카이트 합성에 어려움을 겪고 있습니다. 이러한 한계를 인식한 Loh 교수와 그의 팀은 3D 결정 대신 2D 층 형태로 완전 유기 페로브스카이트를 합성하는 혁신적인 접근 방식을 제안했습니다. 이 전략은 부피가 큰 분자로 인한 제약을 극복하고 더 넓은 범위의 유기 이온의 통합을 촉진하는 것을 목표로 했습니다. 예상된 결과는 이러한 재료에서 새롭고 특별한 특성의 출현이었습니다.

그들의 예측을 검증하여 팀은 새로운 일반 종류의 층상 유기 페로브스카이트를 개발했습니다. 페로브스카이트 명명 규칙에 따라 그들은 최 박사와 로 교수의 이름을 따서 이를 “최-로-v 단계”(CL-v)라고 불렀습니다. 이러한 페로브스카이트는 흑연 층을 함께 유지하는 힘, 즉 소위 반 데르 발스 힘(van der Waals force)에 의해 함께 유지되는 분자적으로 얇은 층으로 구성됩니다. 따라서 CL-v의 “v”가 됩니다. 이전에 연구된 하이브리드 2D 페로브스카이트와 비교하여 CL-v 상은 단위 셀에 다른 B 양이온을 추가하여 안정화되고 일반식 A2B2X4를 갖습니다.

연구팀은 용액상 화학을 이용해 A, B, X 부위가 CMD(염소화 고리형 유기분자)와 암모늄, PF6- 이온으로 채워진 CMD-N-P2라는 CL-v 물질을 준비했다. 각기. 예상된 결정 구조는 극저온에서 수행된 고해상도 전자 현미경을 통해 확인되었습니다. 이러한 분자적으로 얇은 2D 유기 페로브스카이트는 전통적인 3D 광물과 근본적으로 다릅니다. 2차원에서 단결정이며 인간의 머리카락보다 20,000배 더 얇은 몇 나노미터 두께의 육각형 조각으로 벗겨질 수 있습니다.

2D 유기 페로브스카이트의 용액 가공성은 2D 전자 분야에 적용할 수 있는 흥미로운 기회를 제공합니다. Poly U 팀은 CL-v 상의 유전 상수를 측정하여 4.8에서 5.5 범위의 값을 산출했습니다. 이 값은 이산화규소, 질화붕소 등 일반적으로 사용되는 재료의 값을 능가합니다. 이 발견은 CL-v 상을 2D 전자 장치의 유전체 층으로 통합하기 위한 유망한 방법을 확립합니다. 왜냐하면 이러한 장치는 종종 일반적으로 부족한 높은 유전 상수를 갖는 2D 유전체 층을 필요로 하기 때문입니다. 팀원 Dr Leng은 2D 유기 페로브스카이트를 2D 전자 장치와 통합하는 문제를 성공적으로 해결했습니다. 그들의 접근 방식에서는 CL-v 상이 상단 게이트 유전체 층으로 사용되었으며 채널 재료는 원자적으로 얇은 몰리브덴 황화물로 구성되었습니다. CL-v 위상을 활용함으로써 트랜지스터는 소스와 드레인 단자 사이의 전류 흐름에 대한 탁월한 제어를 달성하여 기존 실리콘 산화물 유전층의 기능을 능가했습니다.

Loh 교수의 연구는 완전히 새로운 종류의 완전 유기 페로브스카이트를 확립했을 뿐만 아니라 2D 전자 장치의 성능을 향상시키기 위해 고급 제조 기술과 함께 용액 처리가 가능한 방법을 보여줍니다. 이러한 개발은 보다 효율적이고 다양한 전자 시스템을 만들 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/05/240509110857.htm