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Solvent-Templated Methylammonium-Based Ruddlesden–Popper Perovskites with Short Interlayer Distances

化学 钙钛矿(结构) 卤化物 分子 热致变色 光致发光 带隙 溶剂 密度泛函理论 结晶学 碳酸二甲酯 计算化学 无机化学 催化作用 有机化学 材料科学 光电子学
作者
Ayan A. Zhumekenov,Yongxin Li,Yifan Zhou,Natalia Yantara,Anil Kanwat,Benny Febriansyah,Darrell Jun Jie Tay,Hesham R. Abuzeid,Yeow Boon Tay,Emha Bayu Miftahullatif,Kedar Hippalgaonkar,Sumod A. Pullarkat,Jun Yin,Nripan Mathews
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (10): 6706-6720 被引量:8
标识
DOI:10.1021/jacs.3c12891
摘要

Two-dimensional (2D) halide perovskites are exquisite semiconductors with great structural tunability. They can incorporate a rich variety of organic species that not only template their layered structures but also add new functionalities to their optoelectronic characteristics. Here, we present a series of new methylammonium (CH3NH3+ or MA)-based 2D Ruddlesden-Popper perovskites templated by dimethyl carbonate (CH3OCOOCH3 or DMC) solvent molecules. We report the synthesis, detailed structural analysis, and characterization of four new compounds: MA2(DMC)PbI4 (n = 1), MA3(DMC)Pb2I7 (n = 2), MA4(DMC)Pb3I10 (n = 3), and MA3(DMC)Pb2Br7 (n = 2). Notably, these compounds represent unique structures with MA as the sole organic cation both within and between the perovskite sheets, while DMC molecules occupy a tight space between the MA cations in the interlayer. They form hydrogen-bonded [MA···DMC···MA]2+ complexes that act as spacers, preventing the perovskite sheets from condensing into each other. We report one of the shortest interlayer distances (∼5.7-5.9 Å) in solvent-incorporated 2D halide perovskites. Furthermore, the synthesized crystals exhibit similar optical characteristics to other 2D perovskite systems, including narrow photoluminescence (PL) signals. The density functional theory (DFT) calculations confirm their direct-band-gap nature. Meanwhile, the phase stability of these systems was found to correlate with the H-bond distances and their strengths, decreasing in the order MA3(DMC)Pb2I7 > MA4(DMC)Pb3I10 > MA2(DMC)PbI4 ∼ MA3(DMC)Pb2Br7. The relatively loosely bound nature of DMC molecules enables us to design a thermochromic cell that can withstand 25 cycles of switching between two colored states. This work exemplifies the unconventional role of the noncharged solvent molecule in templating the 2D perovskite structure.
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