Des cristaux qui changent de couleur avec la chaleur

Les matériaux semi-conducteurs appelés pérovskites d’halogénure 2D peuvent être utilisés dans des dispositifs tels que les cellules solaires et les diodes électroluminescentes. Des scientifiques dirigés par le professeur associé Nripan Mathews de l’école de science et d’ingénierie des matériaux de la NTU ont synthétisé quatre types uniques de pérovskites d’halogénure 2D.

Ayan Zhumekenov, chargé de recherche à l’école et auteur principal de l’étude (Journal of the American Chemical Society, « Solvent-templated methylammonium-based Ruddlesden-Popper perovskites with short interlayer distances »), a développé les nouvelles pérovskites à l’aide d’une nouvelle approche. Il a incorporé du carbonate de diméthyle – un solvant non toxique – dans des cristaux de pérovskite à base de méthylammonium.

En analysant les nouvelles structures cristallines, les chercheurs ont découvert que la bande interdite, qui détermine la couleur du matériau, pouvait être réglée en ajustant le rapport entre le méthylammonium et le carbonate de diméthyle. La bande interdite est l’énergie nécessaire pour qu’un électron s’échappe de son état lié et devienne conducteur.

La possibilité de modifier la largeur de la bande interdite est essentielle pour diverses applications de la pérovskite.

Les nouvelles pérovskites d’halogénure 2D présentent également un comportement dynamique « commutable ».

L’une des pérovskites peut passer d’un état coloré à l’autre, passant de l’orange au rouge lorsqu’elle est chauffée à 80 °C et reprenant sa couleur d’origine lorsqu’elle est refroidie à température ambiante.

Les chercheurs ont démontré que cette réaction de changement de couleur pouvait être répétée 25 fois. Ce phénomène de commutation thermochromique ouvre la voie à des applications telles que les revêtements intelligents et les encres thermosensibles qui changent de couleur à différentes températures.

Résumé de l’étude

Les pérovskites d’halogénure bidimensionnelles (2D) sont des semi-conducteurs exquis dont la structure est très adaptable. Elles peuvent incorporer une grande variété d’espèces organiques qui non seulement modèlent leurs structures en couches, mais ajoutent également de nouvelles fonctionnalités à leurs caractéristiques optoélectroniques.

Nous présentons ici une série de nouvelles pérovskites de Ruddlesden-Popper en 2D à base de méthylammonium (CH3NH3+ ou MA) modelées par des molécules de solvant de carbonate de diméthyle (CH3OCOOCH3 ou DMC).

Nous présentons la synthèse, l’analyse structurale détaillée et la caractérisation de quatre nouveaux composés : MA2(DMC)PbI4 (n = 1), MA3(DMC)Pb2I7 (n = 2), MA4(DMC)Pb3I10 (n = 3) et MA3(DMC)Pb2Br7 (n = 2).

Notamment, ces composés représentent des structures uniques avec le MA comme seul cation organique à la fois à l’intérieur et entre les feuilles de pérovskite, tandis que les molécules de DMC occupent un espace étroit entre les cations MA dans la couche intermédiaire. Elles forment des complexes [MA—DMC—MA]2+ liés à l’hydrogène qui agissent comme des espaceurs, empêchant les feuilles de pérovskite de se condenser l’une dans l’autre. Nous rapportons l’une des distances inter-couches les plus courtes (∼5.7-5.9 Å) dans les pérovskites d’halogénure 2D incorporées dans un solvant. En outre, les cristaux synthétisés présentent des caractéristiques optiques similaires à celles d’autres systèmes de pérovskite 2D, y compris des signaux de photoluminescence (PL) étroits.

Les calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) confirment leur nature de gap-bande direct. Par ailleurs, la stabilité de phase de ces systèmes s’est avérée être en corrélation avec les distances des liaisons H et leurs forces, diminuant dans l’ordre suivant : MA3(DMC)Pb2I7 > MA4(DMC)Pb3I10 > MA2(DMC)PbI4 ∼ MA3(DMC)Pb2Br7. La nature relativement peu liée des molécules de DMC nous a permis de concevoir une cellule thermochrome capable de supporter 25 cycles de commutation entre deux états colorés. Ce travail illustre le rôle non conventionnel de la molécule de solvant non chargée dans le modelage de la structure de la pérovskite 2D.

Article : « Solvent-Templated Methylammonium-Based Ruddlesden–Popper Perovskites with Short Interlayer Distances » – DOI:10.1021/jacs.3c12891

Source : NTU – Traduction Enerzine.com