Responsabile scientifico: Giovanni Bongiovanni
Gruppo di ricerca: Riccardo Corpino, Alessandra Geddo Lehmann, Guido Mula, Antonio Andrea Mura, Michele Saba
Scienze fisiche
l’impiego su larga scala. Sostituire il piombo con elementi non tossici e migliorare l’effi-cienza di emissione della luce nelle perovskiti ibride rappresenta l’obiettivo generale di que-sto progetto. Nello specifico, ci siamo concen-trati sulla sintesi e sullo studio delle proprietà di emissione di i) perovskiti tridimensionali, ii) nano-cristalli di perovskiti autoassemblan-ti in matrici cristalline, sempre di perovskiautoassemblan-ti, ma con più alto gap, iii) perovskiti bidimen-sionali in cui il piombo è stato sostituito dal germanio. La scelta di questi obiettivi speci-fici è motivata dal fatto che il confinamento degli elettroni e buche che si realizza in nano-cristalli (obiettivo ii) e nano-cristalli bidimensionali (obiettivo iii) aumenta la probabilità di ricom-binazione radiativa e quindi l’efficienza del dispositivo, mentre l’utilizzo del germanio rimuove le problematiche di tossicità inerenti alla presenza del piombo.
sionali (2D), descritte dalla formula chimica C2An−1BnX3n+1, dove C è un catione organico di grosse dimensioni. Le proprietà fisiche e chi-miche delle perovskiti ibride possono essere controllate in vari modi, per esempio tramite la scelta dei cationi organici, degli ioni inorga-nici, dei processi di sintesi e deposizione del film. Le perovskiti rappresentano quindi una famiglia di semiconduttori estremamente va-sta, le cui proprietà possono essere modula-te ed ingegnerizzamodula-te con grande flessibilità, ma che al momento sono solo parzialmente conosciute e sfruttate. La comprensione ed il controllo delle proprietà chimico-fisiche di questi materiali è la chiave fondamentale per il loro sviluppo ed utilizzo in dispositivi opto-elettronici di nuova generazione.
I PLED e le celle fotovoltaiche con le pre-stazioni migliori contengono il piombo, un elemento la cui tossicità potrebbe impedire
Fig. 1. Film sottile costituito da nanocristalli che si autoaggregano all’interno di una matrice cristallina. Pan-nello in alto a sinistra: immagine di microscopia ottica del film. La luce verde è emessa dalla matrice di CH3NH3PbBr3, la luce rossa dai nanocristalli (CH3NH3PbI3−xBrx). Pannello in alto a destra: livelli energetici del materiale. Sia gli elettroni che le buche fotoeccitati vengono catturati dai nanocristalli, dove ricombinano emettendo luce rossa. Pannello in basso a sinistra: immagine di microscopia elettronica a scansione (SEM).
Pannello in basso a destra: microanalisi elementale dei punti 1 e 2 dell’immagine SEM. Il punto 1 analizza una zona del film ricca in bromo, e quindi corrisponde alla matrice 3D; il punto 2 analizza una zona ricca in iodio dove si formano i nanocristalli.
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e vengono catturate dai nanocristalli, che agiscono come pozzi in quanto hanno li-velli energetici inferiori. Nei nanocristalli si genera quindi un’alta concentrazione di portatori di carica, favorendo una ricom-binazione radiativa più efficiente di quel-la che si avrebbe in un film omogeneo.
La sintesi di perovskiti ibride con il ger-manio ha richiesto la messa a punto di pro-tocolli diversi da quelli comunemente utiliz-zati per le perovskiti contenenti il piombo.
In questo progetto, abbiamo sintetizzato con successo, e per la prima volta, perovskiti 2D a base di germanio con formula chimica (CH3(CH2)3NH3)2(CH3NH3)n−1GenBr3n+1, con n=1-3. (1) In questi materiali, come mo-strato in figura 2, il cristallo è formato da una successione di piani cristallini in cui gli ioni alogeni formano degli ottaedri al cui centro è situato il catione metallico, mentre il metilammonio (CH3NH3) riem-pie gli spazi tra gli ottaedri. I piani giac-ciono uno sopra l’altro e sono separati dal catione organico CH3(CH2)3NH3 il quale, grazie alla sua maggiore lunghezza, fun-ge da barriera e non permette agli elettro-ni di un piano di saltare su quello che sta immediatamente sopra o sotto. L’indice n determina lo spessore del singolo piano, e per n = ∞ si ottiene la perovskite tridi-mensionale. Le perovskiti con struttura bidimensionale sono particolarmente pro-I risultati scientifici ottenuti in questo
progetto sono descritti in dettaglio nelle pubblicazioni i cui riferimenti bibliogra-fici sono riportati in calce a questo reso-conto (1-8). Riportiamo sinteticamente i risultati più salienti. Abbiamo sviluppa-to una tecnica per la deposizione di film costituiti da nanocristalli (CH3NH3PbI3−
xBrx), (8) che si autoaggregano all’interno di una matrice cristallina (CH3NH3PbBr3).
La concentrazione x di bromo nei nano-cristalli è di pochi per cento e l’emissione è nel rosso (700 nm). Nella matrice, l’alo-geno (X) è invece il solo bromo. La sosti-tuzione dello iodio con un alogeno più leggero nella matrice ospitante aumenta l’energia della banda proibita del semi-conduttore e l’emissione di luce si sposta quindi nel verde (530 nm). La figura 1 mo-stra un’immagine di microscopia ottica di un tale film. L’aspetto più interessante di queste eterostrutture autoassemblanti è il fatto che l’emissione di luce dai nanocri-stalli è predominante sebbene rappresen-tino meno del 2% in volume del film, ed è molto efficiente. La configurazione dei livelli elettronici fornisce la spiegazione microscopica di queste caratteristiche di emissione. Nel nostro esperimento, gli elettroni e le buche sono generati a seguito dell’assorbimento della luce blue di un fa-scio laser. Entrambe le cariche diffondono
X-ray intensity (a.u.)
002 004 006 008 0012
0010 0014 0016
X-ray intensity (a.u.) 002 004 006 008 0010 0012111 114 213 119
as synthesized
100 110 1111-11 200
210 2-10 220 2-20
22-1 2-21
PL Intensity (norm)
30
Ge-nBr3n+1, con n=1-2. Pannello a sinistra ed in alto a destra: rispettivamente, struttura cristallina e figura di dif-frazione a raggi x. Pannello in basso a destra: spettri di fotoluminescenza.
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esterni. La luce emessa ha uno spettro che si sposta verso il blu per piccoli n a causa degli effetti di confinamento quantistico.
mettenti per le applicazioni perché rendo-no più stabile nel tempo il composto e ne aumentano la tolleranza ad agenti chimici
Giovanni Bongiovanni è Professore ordinario di Fisica della Materia Sperimentale; ha rico-perto varie cariche istituzionali e dal 2015 è Direttore del Dipartimento di Fisica dell’Uni-versità degli Studi di Cagliari. Ha completato i suoi studi presso l’Università di Cagliari ed in seguito ha passato un periodo di tre anni come post-doc al Politecnico Federale di Losanna. La
sua attività di ricerca è focalizzata sullo studio e lo sviluppo di nuovi materiali per l’optoelet-tronica e la fotonica, nello specifico ed in ordi-ne temporale: semiconduttori inorganici III-V a bassa dimensionalità; semiconduttori organici;
nanocristalli e semiconduttori ibridi organico-i-norganico. Curriculum breve: http://people.
unica.it/giovannibongiovanni/curriculum/.
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