Perovskit metilamonyum kurşun bromür tek-kristalinin antisolvent buhar difüzyonu yöntemi ile sentezi ve kristal morfolojisinin araştırılması
Study of the crystal morphology of perovskite methylammonium lead bromide single-crystals synthesized by the antisolvent diffusion-induced growth method
Yazar: GÖKÇE KESKİN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT ÖZEN
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya = Chemistry ; Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering
Dizin: Kimyasal parametreler = Chemical parameters ; Kristal örgü = Crystal lattice ; Tek kristaller = Single crystals ; Toz karakterizasyonu = Powder characterization ; Yarı iletken kristaller = Semiconductor crystals ; Üç boyutlu kristal örgüsü = Three dimensional crystal lattice

Özet:
Halojenür perovskit bazlı yapıların sergiledikleri çok yönlü özellikleri onları son yıllarda optoelektronik alanda en çok çalışılan yapılar arasında yer almalarını sağlamıştır. Ayarlanabilir bant aralığı, yüksek yük taşıyıcı hareketliliği, yüksek fotolüminesans kuantum verimi ve özelliklerinin katyon veya halojenür bileşeninin değiştirilmesiyle kolaylıkla ayarlanması gibi özelliklerinden dolayı halojenür perovskitleri farklı teknolojiler için düşük maliyetli ve çekici alternatifler kılmaktadırlar. Hibrit (organik-anorganik) halit perovskit tek-kristaller milimetre ile santimetre boyutlarında, düşük sıcaklıkta, ve farklı çözelti bazlı yöntemler kullanılarak sentezlenebileceği gösterilmiştir. Hibrit perovskitlerin önemli özellikleri arasında; düşük sıcaklıkta çözelti bazlı işlem uygulanabilmesi yanı sıra önemli kararlılık sorunları olmasına rağmen güçlü optik soğurma özelliklerinin bulunmasıdır. Farklı perovskit bileşimleri arasında MAPbBr3 (MA = CH3NH3+ metilamonyum) yapısı nükleer radyasyon gibi yüksek enerjili fotonların algılanması açısından üstün performanslar göstermektedir. Daha da önemlisi MAPbBr3 hibrit perovskit maddesi 20−100°C aralığındaki kararlılığı sayesinde hiçbir faz geçişi göstermemektedir. Tek-kristaller aynı bileşiğin nano- veya polikristal formlarına kıyasla daha iyi elektronik özellikler sergileyeceklerdir. Ayrıca tek-kristal perovskitler, ince film muadillerine göre kimyasal olarak daha kararlıdırlar. Tez çalışması kapsamında Antisolvent Buhar Kristalizasyonu yöntemi ile farklı parametre deneyleri gerçekleştirilmiştir. İlk adım olarak MABr kristalleri sentezlenmiş, sentezlenen MABr öncül kristalleri PbBr2 ile [MABr]:[PbBr2] = 1:1 oranında ve [MABr] + [PbBr2] = 0,4 M − 1,2 M aralığında dimetilformamid solventinde tepkimeye sokulmuştur. Deneyler bir hafta boyunca kapalı ve ışıktan uzak bir ortamda oda sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. Antisolvent olarak metanol, toluen, etanol, asetonitril, diklorometan, kloroform, izopropil alkol ve karışımları kullanılarak MAPbBr3 tek-kristalleri sentezlenmiştir. Oluşan kristallere bakıldığında düşük buhar basıncına sahip antisolvent kullanımı yavaş kristal oluşumunu sağladığı belirlenmiştir. Yavaş büyüyen kristal yapıların daha simetrik, küp şeklinde ve daha büyük olduğu gözlemlenmiştir. Kristallerin mikroskop görüntüleri yanı sıra XRD, XRF, DSC, ve DR-UV-Vis-NIR ölçümleri alınmıştır. Sadece bir hafta süre zarfında elde edilen MAPbBr3 tek-kristallerin; 4 - 5 mm boyutlarına büyütülebileceği, kristal yüzeylerinin {100} kristalografik yönelime sahip oldukları, element analizinin Br/Pb molar oranının 3'e yakın sonuçlar verdiği, kalorimetrik ölçümler yüksek kristalin faza işaret ettiği, enerji bant aralıkları beklenilen 2.3 eV değerine çok yakın değerler verdiği ve doğrudan izinli elektronik geçişli yarı iletken özelliğinde oldukları tespit edilmiştir.

Abstract:
The versatile properties exhibited by halide perovskite-based systems make them low-cost, attractive alternatives for various technologies. Their variable energy band gap, high charge carrier mobility, and high photoluminescence intensity, which can be achieved by changing the cation or halide component, make them among the most studied in the field of optoelectronics in recent years. Hybrid (organic-inorganic) halide perovskite single-crystals can be grown into millimeter to centimeter sizes by applying different solution based methods. Among the most important features of hybrid perovskites are; their low production processes and, despite their thermal instability issues, they have strong optical absorption properties. Among the different perovskite structures, MAPbBr3 (MA = CH3NH3+ methylammonium) show superior performances in detecting high energy photons with applications in nuclear detection devices. The MAPbBr3 hybrid perovskite structure exhibits no phase transition due to its stability in the range of 20−100°C, which makes it useful for room temperature applications. Single-crystals will exhibit better electronic properties compared to their nano- or polycrystalline counterparts. In addition, single-crystal perovskites are chemically more stable than thin-film perovskites. In this work, the parametric study for the synthesis of MAPbBr3 by the Antisolvent Vapor Crystallization (AVC) method was carried out. Firstly, the MABr precursor was synthesized. The synthesized MABr crystals were then reacted with PbBr2 at a [MABr] to [PbBr2] ratio of 1:1 and a [MABr] + [PbBr2] concentration between 0.4 M and 1.2 M. Experiments were performed under controlled conditions in a sealed glass vessel, away from daylight for a period of one week at room temperature. AVC experiments were carried out with various antisolvents such as methanol, toluene, ethanol, acetonitrile, dichloromethane, chloroform, isopropyl alcohol and certain mixtures thereof. A slow and controlled crystal growth was determined when using antisolvents with low vapor pressure. Slow-growing crystal structures were observed to be more symmetrical, cube-shaped and also relatively larger in size. Results showed that after only one week of reaction time MAPbBr3 single-crystals of 4 − 5 mm  with prsimatic, cube-shaped morphology were synthesized. The surface of the single-crystals were predominantly {100} oriented. Elemental analysis showed a Br to Pb ratio close to the theoretical value of 3. Calorimetric measurements showed highly crystalline structures for the produced MAPbBr3 materials. Band gap energies close to literature values of about 2.3 eV were determined with direct allowed electronic transition properties.