Synthesis, structural characterization and photo-physical properties of 1D Lead Halide Perovskites based on imidazolium cation

Low dimensional hybrid halide perovskites (LDHPs) have emerged as a promising alternative to 3D perovskites for optoelectronic applications. LDHPs show improved environmental stability than 3D HPs and the alternating arrangement of organic and inorganic domains endows LDHPs with unique quantum and dielectric confinement effects and self-trapped excitons. In particular 1D perovskites were investigated as phosphors in optically pumped LED, thanks to tunable bandgap and broad emission. These properties can be further tuned by selecting organic cations with appropriate steric hindrance and specific functional groups able to be involved in interactions with inorganic domains. In this respect fluorination has been exploited to control HOMO-LUMO level and bandgap of HPs. Moreover, the hydrophobicity offered by fluorinated tails gives protection against humidity, boosting material stability. However, conjugated cations containing fluorinated alkyl chains have not been applied yet for the construction of LDHPs. In this work imidazolium cations functionalized with perfluoroalkyl chains of different length were applied for the construction of new LDHPs. Their synthesis and characterization allowed to study effects of perfluoroalkyl chains on structure and properties of perovskites. LDHPs containing 1-methyl- 3-alkyl-imidazolium cations have been also synthesized as comparison. FTIR, TGA and XRD confirmed the incorporation of imidazolium cations in the inorganic framework, suggesting the formation of 1D structures. This was further supported by PL emission. Interestingly, polarized optical microscopy revealed a liquid crystalline behavior for perovskite containing imidazolium with long fluorinated chains suggesting that fluorous-fluorous interactions and segregation of fluorinated moieties induce the formation of ordered structures. Finally, perovskite coating was found hydrophobic for fluorinated chains. This property is interesting in terms of moisture resistance.

Le perovskiti alogenuri ibride a bassa dimensionalità (LDHP) sono emerse come alternativa più stabile per le loro controparti 3D per applicazioni optoelettroniche. Le LDHP mostrano una migliore stabilità ambientale rispetto alle 3D, e l’alternanza tra domini organici e inorganici fornisce alle LDHP effetti di confinamento quantico e dielettrico e alla creazione di eccitoni self-trapped. In particolare, le perovskiti 1D sono state investigate come emettitori in LED pompati otticamente, grazie a diversi valori di gap di banda e un largo spettro di emission. Queste proprietà possono essere modificate selezionando cationi organici con opportuni ingombro sterico e gruppi funzionali in grado di interagire con la parte inorganica. La fluorurazione di questi cationi è stata sfruttata per controllare i livelli HOMO e LUMO e il gap di banda delle HP. Inoltre, l’idrofobicità offerta dalle catene fluorurate offre protezione contro l’umidità, migliorandone la stabilità. Tuttavia, cationi coniugati contenenti catene fluorurate non sono stati applicati per la creazione di perovskiti. In questo lavoro cationi imidazolio funzionalizzati con catene perfluoroalchiliche sono stati utilizzati per la creazione di LDHP. La sintesi e la caratterizzazione di queste perovskiti hanno permesso di studiare l’effetto delle catene perfluoroalchiliche in termini di struttura e proprietà. LDHP contenenti 1-metil-3-alchil-imidazolio sono state sintetizzate come confronto. FTIR, TGA and XRD hanno confermato l’incorporazione dei cationi di imidazolio nel reticolo, suggerendo una struttura 1D. Ciò è stato confermato anche dalle misure di PL. Le misure attraverso il microscopio ottico polarizzato hanno mostrato per le perovskiti con cationi aventi lunghe catene perfluoroalchiliche un comportamento liquido cristallino, suggerendo interazioni fluoro-fluoro e la segregazione delle catene perfluoroalchiliche che ha indotto la formazione di una struttura ordinata. Infine, i rivestimenti con perovskiti con catene fluorurate hanno mostrato un comportamento idrofobico, proprietà interessante in termini di resistenza all’umidità.