[論文レビュー] Out-of-Plane Mechanical Properties of 2D Hybrid Organic-Inorganic Perovskites by Nanoindentation

Qing Tu, Ioannis Spanopoulos+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2018

Perovskite Materials and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ナノインデンテーションを用いて2次元ハイブリッド有機-無機ペロブスカイト（HOIPs）の面外機械的特性を調査し、構造的変化—特に無機層の数（n）と有機スパacers分子の長さ（R）—が剛性および硬さに与える影響を評価した。結果として、nが大きく、Rが短いほど材料がより剛性になることが示された。DFTシミュレーションにより実験的傾向が確認され、機械的安定性が高く柔軟性のあるペロブスカイトデバイスの設計原則が得られた。

ABSTRACT

2D layered hybrid organic-inorganic perovskites (HOIPs) have demonstrated improved stability and promising photovoltaic performance. The mechanical properties of such functional materials are both fundamentally and practically important to achieve both high performance and mechanical stable (flexible) devices. Here we report the mechanical properties of a series of 2D layered lead iodide HOIPs and investigate the role of structural sub-units (e.g., variation of the length of the organic spacer molecules -R and the number of inorganic layer -n) on the mechanical properties. While 2D HOIPs have much lower nominal elastic moduli and hardness than 3D HOIPs, larger n number and shorter R lead to stiffer materials. DFT simulations showed a similar trend to the experimental results. We compared these findings with other 2D layered crystals and shed light on routes to further tune the out-of-plane mechanical properties of 2D layered HOIPs.

研究の動機と目的

• 2次元ハイブリッド有機-無機ペロブスカイト（HOIPs）の面外機械的挙動を理解すること。これは、柔軟なオプトエレクトロニクスデバイスに有望である。
• 無機層の数（n）と有機スパacersの長さ（R）といった構造的パラメータが、弾性率や硬さといった機械的特性に与える影響を調査すること。
• 実験的ナノインデンテーション結果と密度汎関数理論（DFT）シミュレーションを関連づけ、メカニズム的洞察を得ること。
• 2次元HOIPsの機械的応答を他の層状2次元結晶と比較し、チューナブルな設計則を同定すること。
• 機械的強靭性に優れ、柔軟性のあるペロブスカイトベースのデバイスを設計する基盤を提供すること。

提案手法

• 異なるn（無機層の数）とR（有機スパacers長さ）を有する2次元HOIPsの単結晶に対してナノインデンテーションを実施し、面外方向の弾性率と硬さを測定した。
• nとRの値が異なる一連の2次元HOIPsを合成・特性評価し、構造的要因が機械的応答に与える影響を分離した。
• 密度汎関数理論（DFT）計算を用いて機械的特性をモデル化し、実験的傾向の妥当性を検証した。
• 負荷-変位曲線からオリバー＝ファール解析を用いて機械的データを抽出し、弾性率と硬さを決定した。
• 他の2次元層状材料と比較して、2次元HOIPsの機械的性能を文脈づける分析を実施した。
• 構造的パラメータを体系的に変化させることで、分子構造と機械的挙動の相関を確立した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元HOIPsにおける無機層の数（n）は、その面外方向弾性率および硬さにどのように影響するか？
• RQ2 有機スパacersの長さ（R）は、2次元HOIPsの機械的剛性にどのように影響するか？
• RQ3 実験的ナノインデンテーション結果とDFTで予測された機械的特性との一致度はどの程度か？
• RQ4 2次元HOIPsの機械的特性は、他の2次元層状材料と比較してどのように異なるか？
• RQ5 柔軟なデバイス応用を想定した2次元HOIPsの面外機械的安定性を向上させるために、どのような構造的設計則を導出できるか？

主な発見

• 2次元HOIPsは、3次元のそれらと比較して顕著に低い顕在的弾性率および硬さを示す。
• 無機層の数（n）を増加させることで、機械的剛性が顕著に向上し、nが大きいほど弾性率および硬さが高くなる。
• 有機スパacers分子が短いほど、2次元HOIPsはより剛性になる。これは、層間距離が小さくなり、層間結合が強化されるためである。
• DFTシミュレーションでは、実験的ナノインデンテーション結果とよく一致する機械的特性の傾向が示され、観察された傾向の妥当性が裏付けられた。
• 2次元HOIPsの機械的応答は、他の2次元層状材料と同等の性能を示すが、nとRを調整することで機械的性能を最適化する有効なルートが得られる。
• 本研究の結果は、nを増加させ、Rを最小限に抑えることで、機械的強靭性に優れ、実用的なデバイス統合に適した柔軟な2次元HOIPsを設計する明確な戦略を提供する。