[논문 리뷰] Out-of-Plane Mechanical Properties of 2D Hybrid Organic-Inorganic Perovskites by Nanoindentation

Qing Tu, Ioannis Spanopoulos외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 29.

Perovskite Materials and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 2차원 하이브리드 유기-무기 퍼보스카이트(HOIPs)의 평면 외 기계적 성질을 나노인덴테이션을 통해 조사하여, 구조적 변형—특히 무기층 수(n)와 유기 스퍼터 분자의 길이(R)가 강성과 경도에 미치는 영향을 평가한다. 결과적으로 n가 클수록 R이 짧을수록 더 강성 있는 재료가 되며, DFT 시뮬레이션은 실험 결과의 경향을 확인하여 기계적으로 안정된 유연한 퍼보스카이트 장치 설계 원칙을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 2차원 하이브리드 유기-무기 퍼보스카이트(HOIPs)의 평면 외 기계적 거동을 이해하기 위해, 이는 탄력적인 옹전자기기 응용 분야에서 유망한 소재이다.
• 무기층 수(n)와 유기 스퍼터 길이(R)와 같은 구조적 매개변수가 탄성율 및 경도와 같은 기계적 성질에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 실험적 나노인덴테이션 결과와 밀도함수이론(DFT) 시뮬레이션 간의 연관성을 분석하여 기계적 거동의 메커니즘을 밝히기 위해.
• 다른 2차원 계면체와의 비교를 통해 2D HOIPs의 기계적 거동을 정량화하고, 조절 가능한 설계 원칙을 도출하기 위해.
• 기계적으로 견고하고 탄력적인 퍼보스카이트 기반 장치를 설계하기 위한 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• n(무기층 수)와 R(유기 스퍼터 길이)가 다른 2D HOIP 단일결정체를 대상으로 나노인덴테이션을 수행하여 평면 외 탄성율과 경도를 측정하였다.
• n과 R 값이 다른 일련의 2D HOIPs를 합성하고 특성 분석하여 구조적 요소가 기계적 거동에 미치는 영향를 분리하였다.
• 기계적 성질를 모델링하고 실험 결과의 경향을 검증하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 탄성율과 경도를 결정하기 위해 로드-이동 거리 곡선에서 올리버-파르 분석을 통해 기계적 데이터를 추출하였다.
• 2D HOIPs의 기계적 성능를 다른 2차원 계면체와 비교하여 맥락화하기 위한 분석을 수행하였다.
• 구조적 매개변수를 체계적으로 변화시켜 분자의 구조적 배열과 기계적 거동 간의 상관관계를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2D HOIPs에서 무기층 수(n)가 평면 외 탄성율과 경도에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ2 유기 스퍼터 길이(R)는 2D HOIPs의 기계적 강성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 실험적 나노인덴테이션 결과가 2D HOIPs에서 DFT 예측 기계적 성질과 어느 정도 일치하는가?
• RQ4 2D HOIPs의 기계적 성질은 다른 2차원 계면체와 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ5 탄성 장치 응용을 위한 2D HOIPs의 평면 외 기계적 안정성을 향상시키기 위해 도출할 수 있는 구조적 설계 원칙은 무엇인가?

주요 결과

• 2D HOIPs는 3D 대비 명백히 낮은 명목상 탄성율과 경도를 나타낸다.
• 무기층 수(n)를 증가시키면 기계적 강성이 유의미하게 증가하며, 높은 n 값일수록 탄성율과 경도가 높아진다.
• 유기 스퍼터 분자가 짧을수록 2D HOIPs는 더 강성 있는 성질을 보이며, 이는 층 간 거리가 감소해 층 간 결합력이 강화되기 때문이다.
• DFT 시뮬레이션은 실험적 나노인덴테이션 결과와 밀접하게 일치하는 기계적 성질의 경향을 보이며, 관찰된 경향을 검증한다.
• 2D HOIPs의 기계적 거동은 다른 2D 계면체와 유사하지만, n과 R을 조절함으로써 기계적 성능을 최적화할 수 있는 유망한 길을 제공한다.
• 이러한 발견들은 기계적으로 견고하고 탄력적인 2D HOIPs를 설계하기 위한 명확한 설계 전략—즉, n을 증가시키고 R을 최소화하는 것—을 제공한다.