< Terug naar vorige pagina

Project

Gevorderd spectroscopisch onderzoek van perovskieten voor een optimale ontwikkeling van nieuwe perovskiet-gebaseerde apparaten

In de medische diagnostiek is er een sterk groeiende vraag naar röntgenbeeldvorming, wat resulteert in een verwachte marktgroei tot € 3,8 miljard in 2027. De toename van röntgenbeeldvorming heeft echter geleid tot een meer frequente blootstelling van de schadelijke X-ray straling op het menselijk lichaam, wat op zijn beurt de stralingsgerelateerde gezondheidsrisico's verhoogt. Om de benodigde röntgenstraling voor het verkrijgen van een beeld te minimaliseren, wordt er uitgebreid onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van gevoeligere röntgendetectoren.

In de zoektocht naar gevoeligere materialen om de operationele stralingsdosis te verminderen, hebben metaalhalogenide perovskieten (MHPs) een aanzienlijk potentieel vanwege hun unieke fysische en chemische eigenschappen. Ze staan echter nog steeds voor grote uitdagingen die hun commerciële beschikbaarheid belemmeren. Een van de belangrijkste obstakels is de stabiliteit van het materiaal op lange termijn. De meest populaire op lood gebaseerde MHPs kunnen faseovergangen of volledige degradatie ondergaan als reactie op veranderingen in de omgeving, wat resulteert in het verlies van de gewenste opto-elektronische eigenschappen. Een andere uitdaging is de afzetting van MHP-lagen met een groot oppervlak voor de implementatie in een apparaat, aangezien conventionele fabricagemethoden doorgaans resulteren in films met een hoge defectdichtheid. Ten slotte wordt de ecotoxiciteit van loodhoudende perovskieten genoemd als een belemmering voor hun toekomstige implementatie in realistische apparaten. Een alternatief voor de op lood gebaseerde MHPs zijn de zogenaamde dubbele perovskieten, aangezien dat de overeenkomstige millimeter kristallen reeds bewezen om gevoelige en stabiele röntgendetectoren te genereren. De synthese van hoogwaardige nano- of microkristallen moet echter worden ontwikkeld voor hun implementatie in apparaten met een groot oppervlak.

Dit doctoraatsproefschrift presenteert verschillende veelbelovende wegen om deze uitdagingen het hoofd te bieden. Stabiele, zuivere en zeer kristallijne op lood gebaseerde en loodvrije perovskieten met uitstekende fotonische eigenschappen zijn met succes gesynthetiseerd, gekarakteriseerd en onderzocht op hun potentiële toepassing als stralingsdetectoren. In Hoofdstuk 1 werd een inleiding gegeven over CsPbBr3 perovskiet millimeter kristallen, microkristallen, nanodraden, dunne films en nanokristallen, waarbij het belang en de uitdagingen van verschillende synthesestrategieën van perovskiet materialen voor de uiteindelijke prestaties als foto- en röntgendetectoren werden benadrukt.

In hoofdstuk 3 werd een nieuwe, schaalbare fabricagemethode voor compacte, dikke en gaatjesvrije CsPbBr3-films gepresenteerd. Verder hebben we onderzocht hoe de implementatie van de 2D CsPb2Br5-fase in CsPbBr3-microkristallen hun structurele en optische eigenschappen beïnvloedt. Er werd ontdekt dat het tweefasige staal verbeterde tolerantie vertoont voor röntgendetectie met een hoger voltage, aangezien het een veel lagere donkerstroom vertoont, gekoppeld aan onderdrukte ionenmigratie. De aangetoonde lage donkerstroom in combinatie met de plausibele vorming van ondiepe defecttoestanden voorkomt de opbouw van polarisatie in de apparaat configuratie. Deze verbeterde stabiliteit voor hogere spanningsregimes biedt een veelbelovende weg voor toekomstige verbeteringen in snelle, lokale ladingsextractie en röntgenbeeldresolutie.

In Hoofdstuk 4 werd chemische dampafzetting toegepast als een geavanceerde synthesestrategie om gladde, hoogwaardige en fasezuivere dunne CsPbBr3-films te maken. De impact van de korrelgrootte op de transporteigenschappen van de drager werd ook onderzocht, wat wijst op een verbeterde mobiliteit bij een grotere korrelgrootte. Bovendien werd Rb-dopering uitgevoerd als een strategie om de prestaties van de films als fotoactieve laag in fotodetectoren te verbeteren. Ten slotte werden de inzichten uit dit onderzoek gebruikt om een zelfgemaakte opstelling voor de fabricage van CsPbBr3 dunne films te optimaliseren, met als doel om deze strategie in de toekomst uit te breiden naar andere (loodvrije) perovskiet materialen.

In Hoofdstuk 5 werd het potentieel van loodvrije perovskiet Cs2AgBiBr6 microkristallen op het gebied van fotodetectie belicht. Transformatie door kationenuitwisseling werd voorgesteld als een synthesemethode om microkristallen van hogere kwaliteit te vervaardigen in vergelijking met kristallen die via directe synthetische routes zijn vervaardigd. Om inzicht te krijgen in het kationenuitwisselingsproces, is het reactiemechanisme van Cs3Bi2Br9 tot Cs2AgBiBr6 bestudeerd om de kristalfase-evolutie te begrijpen, evenals de veranderingen in structurele en optische eigenschappen van de materialen in verschillende stadia van de reactie. Bovendien gaf een proof-of-concept fotodetectorapparaat aan dat de Cs2AgBiBr6-microkristallen verkregen door kationenuitwisseling een verbeterde fotorespons vertonen in vergelijking met die verkregen door de directe synthesemethode. Deze kristallografische transformatie kan de weg banen voor de ontwikkeling van moeilijk toegankelijke perovskiet structuren, die niet beschikbaar zijn via directe syntheseroutes.

Over het algemeen dragen de bevindingen in dit proefschrift bij aan de vooruitgang van op lood gebaseerde en loodvrije perovskiet materialen voor stralingsdetectie. Er werden drie veelbelovende synthesemethoden onderzocht en geoptimaliseerd om de uitdagingen aan te gaan die verband houden met de materiaalstabiliteit van MHPs, de ontwikkeling van grote gaatjesvrije films voor de fabricage van apparaten en de loodtoxiciteit. Dit doctoraatsproefschrift biedt waardevolle inzichten verkregen via geavanceerde structurele en optische studies en geeft het potentieel aan van perovskieten als laag- en hoogenergetische fotodetectoren in de toekomst.

Datum:1 jan 2019 →  6 sep 2023
Trefwoorden:Perovskites
Disciplines:Anorganische chemie niet elders geclassificeerd, Organische chemie niet elders geclassificeerd, Theoretische en computationele chemie niet elders geclassificeerd, Andere chemie niet elders geclassificeerd, Fysische chemie niet elders geclassificeerd, Duurzame chemie niet elders geclassificeerd
Project type:PhD project