RU2730315C1 - Method of producing organic-inorganic complex halogenide monocrystals - Google Patents

Method of producing organic-inorganic complex halogenide monocrystals Download PDF

Info

Publication number
RU2730315C1
RU2730315C1 RU2019127404A RU2019127404A RU2730315C1 RU 2730315 C1 RU2730315 C1 RU 2730315C1 RU 2019127404 A RU2019127404 A RU 2019127404A RU 2019127404 A RU2019127404 A RU 2019127404A RU 2730315 C1 RU2730315 C1 RU 2730315C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
composition
solution
acid
onch
solubility
Prior art date
Application number
RU2019127404A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Анатольевич Фатеев
Андрей Андреевич Петров
Евгений Алексеевич Гудилин
Алексей Борисович Тарасов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2019127404A priority Critical patent/RU2730315C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2730315C1 publication Critical patent/RU2730315C1/en
Priority to PCT/RU2020/050211 priority patent/WO2021040580A2/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/54Organic compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/12Halides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B7/00Single-crystal growth from solutions using solvents which are liquid at normal temperature, e.g. aqueous solutions
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B7/00Single-crystal growth from solutions using solvents which are liquid at normal temperature, e.g. aqueous solutions
    • C30B7/14Single-crystal growth from solutions using solvents which are liquid at normal temperature, e.g. aqueous solutions the crystallising materials being formed by chemical reactions in the solution

Abstract

FIELD: chemistry.SUBSTANCE: invention relates to production of monocrystals from solutions by chemical conversion of a solvent. Method of producing monocrystals of organo-inorganic complex halogenide (OICH) of composition ABX, where z = 1–2, k = 2–4, 0 < n ≤ 4, includes: A) preparation of a solution composition containing at least one polar solvent (S), solubility of OICH in which is equal to (C, T); reagent (M), taken in an amount providing a molar ratio M/S of 0.05 to 15, for chemical reaction with solvent S, product of which is at least one gaseous or liquid-phase compound, or mixture thereof (S), solubility of OICH in which is equal to (C, T), where C < C; components of organic glucose, which are represented by organic cation Aor an inorganic cation selected from cations of ammonium (NH), cesium (Cs) or rubidium (Rb) or a mixture thereof; polyvalent metal cation B; halogenide or pseudohalogen ion X, wherein in solution composition concentration [A] ranges from 0.1 M to 7M, concentration [B] ranges from 0.1M to 3.5M, concentration [X] ranges from 0.2 M to 10 M, and the solution composition has a concentration of OICH equal to or less than the solubility of OICH (C, T) in the solution with given ratio M/S; B) maintaining the resulting composition at a constant temperature T1 to achieve chemical conversion of at least 10 % S in S 1 ensures the formation of single crystals OICH.EFFECT: technical result is reduced solubility of components of OICH in solution by chemical conversion of solvent into product, which does not dissolve or poorly dissolve OICH in solution composition, from which crystallization is carried out, which facilitates production of monocrystals of specified chemical composition.12 cl, 1 tbl, 12 ex, 7 dwg

Description

Область техникиTechnology area

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов, в частности, к способам получения монокристаллов органо-неорганических комплексных галогенидов из растворов за счет химического превращения растворителя.The invention relates to a technology for producing single crystals, in particular, to methods for producing single crystals of organic-inorganic complex halides from solutions due to the chemical conversion of the solvent.

Монокристаллы органо-неорганических комплексных галогенидов могут использоваться в качестве материалов фотоэлектрических и оптоэлектронных устройств, для создания радиационных детекторов.Single crystals of organic-inorganic complex halides can be used as materials for photoelectric and optoelectronic devices, to create radiation detectors.

Уровень техникиState of the art

Органо-неорганические комплексные галогениды (ОНГК) являются сравнительно молодым, однако обширным классом кристаллических соединений, включающих соединения со структурой перовскита или перовскитоподобной структурой, а также иными структурными типами. Многие соединения ряда органо-неорганических комплексных галогенидов проявляют комплекс оптических, электронных и других функциональных свойств, делающих их крайне перспективными материалами для применения в оптоэлектронных и фотоэлектрических устройствах, изготовлении детекторов, сенсоров, лазеров и других областях полупроводниковой промышленности.Organo-inorganic complex halides (ONGC) are a relatively young, but extensive class of crystalline compounds, including compounds with a perovskite or perovskite-like structure, as well as other structural types. Many compounds of a number of organo-inorganic complex halides exhibit a complex of optical, electronic, and other functional properties, making them extremely promising materials for use in optoelectronic and photoelectric devices, the manufacture of detectors, sensors, lasers, and other areas of the semiconductor industry.

В частности, ряд работ, опубликованных в последние годы, свидетельствует о успешном применении монокристаллов данных соединений в изготовлении солнечных элементов с КПД выше 17% [Chen Z. et al. Thin single crystal perovskite solar cells to harvest below-bandgap light absorption //Nature communications. - 2017. - T. 8. - №. 1. - C. 1890.], светдиодов [Wang X. D. et al. Recent Advances in Halide Perovskite Single - Crystal Thin Films: Fabrication Methods and Optoelectronic Applications //Solar RRL. - 2019. - C. 1800294].In particular, a number of works published in recent years indicate the successful use of single crystals of these compounds in the manufacture of solar cells with an efficiency higher than 17% [Chen Z. et al. Thin single crystal perovskite solar cells to harvest below-bandgap light absorption // Nature communications. - 2017. - T. 8. - No. 1. - C. 1890.], LEDs [Wang X. D. et al. Recent Advances in Halide Perovskite Single - Crystal Thin Films: Fabrication Methods and Optoelectronic Applications // Solar RRL. - 2019. - C. 1800294].

Из уровня техники известно, что монокристаллы ОНКГ преимущественно формируют кристаллизацией из растворов, в силу их высокой растворимости в ряде полярных растворителей [So F. (ed.). World Scientific Handbook of Organic Optoelectronic Devices (Volumes 1 & 2): Volume 1: Perovskite Electronics Volume 2: Organic Photovoltaics (OPVs). - World Scientific]. Растворные методы позволяют получать монокристаллы ОНКГ высокого качества фактически при умеренной температуре и без использования сложного технического оборудования. Под высоким качеством кристаллов здесь и далее понимается малая концентрация структурных дефектов, что является необходимым условием для оптоэлектронного применения данных материалов.It is known from the prior art that ONCH single crystals are predominantly formed by crystallization from solutions, due to their high solubility in a number of polar solvents [So F. (ed.). World Scientific Handbook of Organic Optoelectronic Devices (Volumes 1 & 2): Volume 1: Perovskite Electronics Volume 2: Organic Photovoltaics (OPVs). - World Scientific]. Solution methods make it possible to obtain high quality ONKG monocrystals actually at moderate temperatures and without the use of sophisticated technical equipment. Hereinafter, the high quality of crystals is understood as a low concentration of structural defects, which is a necessary condition for the optoelectronic application of these materials.

Получение монокристаллов из растворов возможно благодаря регулированию растворимости данных соединений посредством воздействия физических или химических факторов. Можно выделить три основных группы способов получения монокристаллов, основанных на различных подходах регулирования растворимости соединения, образующего монокристаллы:Obtaining single crystals from solutions is possible due to the regulation of the solubility of these compounds through the action of physical or chemical factors. There are three main groups of methods for producing single crystals based on different approaches to regulating the solubility of a compound forming single crystals:

1. понижение температуры раствора для достижения его насыщения и кристаллизации1.decreasing the temperature of the solution to achieve its saturation and crystallization

2. повышение температуры раствора для достижения его насыщения и кристаллизации2. raising the temperature of the solution to achieve saturation and crystallization

3. внесение в раствор соединения компонента понижающего растворимость и вызывающего кристаллизацию3.introduction into the solution of the compound of a component that reduces solubility and causes crystallization

Первый способ [So F. (ed.). World Scientific Handbook of Organic Optoelectronic Devices (Volumes 1 & 2): Volume 1: Perovskite Electronics Volume 2: Organic Photovoltaics (OPVs). - World Scientific] предусматривает использование жидкофазных систем, растворимость ОНКГ в которых возрастает при повышении температуры. Для реализации данного способа используют растворы компонентов ОНКГ в галогеноводородных кислотах или растворах на их основе.The first way [So F. (ed.). World Scientific Handbook of Organic Optoelectronic Devices (Volumes 1 & 2): Volume 1: Perovskite Electronics Volume 2: Organic Photovoltaics (OPVs). - World Scientific] provides for the use of liquid-phase systems, the solubility of ONCH in which increases with increasing temperature. To implement this method, use is made of solutions of the ONCH components in hydrohalic acids or solutions based on them.

Основным недостатком данного способа является необходимость использования коррозионных, опасных в обращении и нестабильных к окислению концентрированных растворов галогеноводородных кислот. Кроме того, недостатком является необходимость тщательного контроля температуры (а именно, медленного ее понижения) для обеспечения уровня пересыщения, необходимого для медленного роста монокристалла, но недостаточного для инициирования объемной нуклеации.The main disadvantage of this method is the need to use corrosive, hazardous to handle and unstable to oxidation of concentrated solutions of hydrohalic acids. In addition, the disadvantage is the need for careful control of the temperature (namely, its slow decrease) to ensure the level of supersaturation required for slow growth of a single crystal, but insufficient to initiate bulk nucleation.

Второй способ [Saidaminov M.I. et al. Retrograde solubility of formamidinium and methylammonium lead halide perovskites enabling rapid single crystal growth // Chem. Commun. Royal Society of Chemistry, 2015. Vol. 51, №100. P. 17658-17661] предусматривает использование жидкофазных систем, растворимость ОНКГ в которых понижается при повышении температуры. Для реализации данного способа используют растворы компонентов ОНКГ в полярных апротонных растворителях, таких как гамма-бутиролактон (ГБЛ), диметилформамид (ДМФА) или диметилсульфоксид (ДМСО).The second way [Saidaminov M.I. et al. Retrograde solubility of formamidinium and methylammonium lead halide perovskites enabling rapid single crystal growth // Chem. Commun. Royal Society of Chemistry, 2015. Vol. 51, no. 100. P. 17658-17661] provides for the use of liquid-phase systems, the solubility of ONCH in which decreases with increasing temperature. To implement this method, solutions of the ONCH components in polar aprotic solvents such as gamma-butyrolactone (GBL), dimethylformamide (DMF), or dimethyl sulfoxide (DMSO) are used.

Одним из недостатков вышеуказанного способа является необходимость проведения процесса кристаллизации, а также изъятия монокристаллов из раствора при повышенной температуре (120-150С). Понижение температуры раствора, контактирующего с монокристаллом, может привести к его частичному растворению, неселективному травлению поверхности или образованию побочных фаз кристаллосольватов. Другим недостатком данного способа является возможность протекания нежелательных химических реакций в растворах при повышенной температуре. В частности, даже при контакте со следовыми количествами кислорода в растворах йодидов при температуре выше 100°С наблюдается быстрое окисление йодид ионов до йода. Кроме того, при повышенной температуре растворитель может разлагаться или вступать в химические реакции с органическими катионами ОНКГ. В частности, в нескольких работах показана возможность участия наиболее популярных для получения монокристаллов растворителей ДМФА и ДМСО в реакциях транс-амидирования с катионами метиламмония с образованием катионов аммония и диметиламмония [Lee М. V et al. Transamidation of dimethylformamide during alkylammonium lead triiodide film formation for perovskite solar cells // J. Mater. Res. 2016. Vol. FirstView. P. 1-11], [So F. (ed.). World Scientific Handbook of Organic Optoelectronic Devices (Volumes 1 & 2): Volume 1: Perovskite Electronics Volume 2: Organic Photovoltaics (OPVs). - World Scientific]. При этом образующиеся катионы аммония и диметиламмония способны встраиваться в структуру ОНКГ со структурой перовскита, замещая катионы метиламмония. При этом такое замещение происходит неконтролируемо и может приводить к изменению оптоэлектронных свойств ОНКГ.One of the disadvantages of the above method is the need for the crystallization process, as well as the removal of single crystals from the solution at an elevated temperature (120-150C). A decrease in the temperature of a solution in contact with a single crystal can lead to its partial dissolution, nonselective etching of the surface, or the formation of side phases of crystal solvates. Another disadvantage of this method is the possibility of unwanted chemical reactions in solutions at elevated temperatures. In particular, even upon contact with trace amounts of oxygen in iodide solutions at temperatures above 100 ° C, a rapid oxidation of iodide ions to iodine is observed. In addition, at elevated temperatures, the solvent can decompose or enter into chemical reactions with organic cations ONCH. In particular, several studies have shown the possibility of participation of the most popular solvents for obtaining single crystals of solvents DMF and DMSO in trans-amidation reactions with methylammonium cations with the formation of ammonium and dimethylammonium cations [Lee M. V et al. Transamidation of dimethylformamide during alkylammonium lead triiodide film formation for perovskite solar cells // J. Mater. Res. 2016. Vol. FirstView. P. 1-11], [So F. (ed.). World Scientific Handbook of Organic Optoelectronic Devices (Volumes 1 & 2): Volume 1: Perovskite Electronics Volume 2: Organic Photovoltaics (OPVs). - World Scientific]. In this case, the resulting ammonium and dimethylammonium cations are able to integrate into the structure of ONCH with a perovskite structure, replacing methylammonium cations. In this case, such a substitution occurs uncontrollably and can lead to a change in the optoelectronic properties of ONCH.

Третий способ [Zhou Н. et al. Antisolvent diffusion-induced growth, equilibrium behaviours in aqueous solution and optical properties of CH3MH3PbI3 single crystals for photovoltaic applications //RSC Adv. Royal Society of Chemistry, 2015. Vol. 5, №104. P. 85344-85349], предполагает медленное добавление компонента, понижающего растворимость ОНКГ (антисольвента) к концентрированному раствору ОНКГ в полярном растворителе. В качестве антисольвента типично используют слабополярные легкокипящие органические растворители, такие как хлорбензол, дихлорметан, хлороформ, диэтиловый эфир. Разбавление раствора нерастворяющим ОНКГ антисольвентом приводит к эффекту высаливания. В результате растворимость ОНКГ в полученном смешанном растворе (растворитель-антисольвент-ОНКГ) снижается настолько, что достигается его пересыщение по ОНКГ и начинается кристаллизация. В данном способе преимущественно используются такие растворители как ДМСО, ДМФА, ГБЛ.The third method [Zhou H. et al. Antisolvent diffusion-induced growth, equilibrium behaviors in aqueous solution and optical properties of CH 3 MH 3 PbI 3 single crystals for photovoltaic applications // RSC Adv. Royal Society of Chemistry, 2015. Vol. 5, no. 104. P. 85344-85349], assumes the slow addition of a component that reduces the solubility of ONCH (antisolvent) to a concentrated solution of ONCH in a polar solvent. As the antisolvent, weakly polar low-boiling organic solvents such as chlorobenzene, dichloromethane, chloroform, diethyl ether are typically used. Dilution of the solution with a non-dissolving ONCH antisolvent leads to a salting-out effect. As a result, the solubility of ONCH in the resulting mixed solution (solvent-antisolvent-ONCH) decreases so much that its supersaturation in ONCH is achieved and crystallization begins. This method mainly uses solvents such as DMSO, DMF, GBL.

Однако реализация вышеуказанного способа требует осуществления контролируемой медленной подачи антисольвента или контролируемой диффузии его паров к раствору ОНКГ, для плавного достижения в последнем пересыщения по кристаллизуемому компоненту, что необходимо для получения крупных монокристаллов. На практике, как правило, применяют контролируемую диффузию паров, которую реализуют в закрытом герметичном объеме, что способствует усложнению технического процесса. Заметные технические неудобства может представлять также значительная продолжительность процесса получения монокристаллов данным способом, которая составляет около 1 недели [Shi D. et al. Low trap-state density and long carrier diffusion in organolead trihalide perovskite single crystals //Science. - 2015. - T. 347. - №. 6221. - C. 519-522.].However, the implementation of the above method requires the implementation of a controlled slow supply of the antisolvent or controlled diffusion of its vapors to the ONCH solution, in order to smoothly achieve supersaturation in the latter with respect to the crystallizable component, which is necessary to obtain large single crystals. In practice, as a rule, controlled vapor diffusion is used, which is implemented in a closed sealed volume, which contributes to the complication of the technical process. Significant technical inconveniences can also represent a significant duration of the process of obtaining single crystals by this method, which is about 1 week [Shi D. et al. Low trap-state density and long carrier diffusion in organolead trihalide perovskite single crystals // Science. - 2015. - T. 347. - No. 6221. - C. 519-522.].

Кроме того, многие из типично применяемых при реализации вышеуказанного метода антисольвентов являются легколетучими и токсичными и/или канцерогенными веществами, например, хлорбензол, толуол, дихлорметан, хлороформ.In addition, many of the antisolvents typically used in the implementation of the above method are highly volatile and toxic and / or carcinogenic substances, for example, chlorobenzene, toluene, dichloromethane, chloroform.

Следует отметить, что вышеуказанный способ применим лишь для ограниченного набора составов ОНКГ, в силу возможной преимущественной кристаллизации сольватов, вызванной наличием координирующего растворителя в смеси. Кроме того, до сих пор отсутствуют сведения о применимости данного способа к получению слоистых галогенидных перовскитоподобных фаз с числом слоев со структурой перовскита больше 1, а также смешаннокатионных и смешанноанионных органо-неорганических перовскитов.It should be noted that the above method is applicable only for a limited set of ONCH compositions, due to the possible predominant crystallization of solvates caused by the presence of a coordinating solvent in the mixture. In addition, there is still no information on the applicability of this method to the preparation of layered halide perovskite-like phases with more than 1 layers with a perovskite structure, as well as mixed cationic and mixed anionic organo-inorganic perovskites.

Вышеуказанный способ по технической сущности наиболее близок к заявляемому изобретению и выбран в качестве прототипа.The above method is in technical essence the closest to the claimed invention and is selected as a prototype.

Используемая терминологияTerminology used

В рамках настоящей заявки под термином органо-неорганический комплексный галогенид (ОНКГ) понимают кристаллические соединения с общей формулой AnBX(nz+k), содержащие однозарядный или двухзарядный органический катион Az+ (z = 1, 2), а также поливалентный катион металла Bk+ (k = 2, 3, 4) и галогенид или псевдогалогенид ион X-, при этом соотношение А/В=n может принимать значения в диапазоне от 0 до 4 (включая нецелочисленные значения n) в зависимости от координационного числа и валентности Bk+ и мотива кристаллической структуры. В большинстве практически важных вариантов реализации предлагаемого способа Az+ - выбирают из числа однозарядных (z = 1) замещенных катионов аммония (первичных, вторичных, третичных, четвертичных), катионов формамидиния, гаунидиния, ацетамидиния, либо неорганических катионов аммония (NH4 +), цезия (Cs+) или рубидия (Rb+), либо двухзарядных (z = 2) катионов алкилдиаммония, Bk+ - поливалентный катион Pb, Sn или Bi, X- - Cl-, Br-, I-.In the framework of this application, the term organic-inorganic complex halide (OCH) means crystalline compounds with the general formula A n BX (nz + k) containing a singly or doubly charged organic cation A z + (z = 1, 2), as well as a polyvalent metal cation B k + (k = 2, 3, 4) and a halide or pseudohalide ion X - , while the ratio A / B = n can take values in the range from 0 to 4 (including non-integer n values) depending on the coordination number and valence B k + and crystal structure motif. In most practically important options for the implementation of the proposed method, A z + - is selected from the number of singly charged (z = 1) substituted ammonium cations (primary, secondary, tertiary, quaternary), formamidinium, gaunidinium, acetamidinium cations, or inorganic ammonium cations (NH 4 + ), cesium (Cs + ) or rubidium (Rb + ), or doubly charged (z = 2) alkyldiammonium cations, B k + is a polyvalent cation of Pb, Sn or Bi, X - - Cl - , Br - , I - .

В частных случаях реализации изобретения ОНКГ может иметь перовскитоподобную структуру. Под перовскитоподобной структурой в рамках настоящей заявки понимается как непосредственно структура перовскита, так производные от структурного типа перовскита. Термином «перовскитоподобные соединения» или «перовскитоподобные фазы» в рамках настоящей заявки обозначаются соединения и фазы с перовскитоподобной структурой.In particular cases of the implementation of the invention, ONCH can have a perovskite-like structure. The term perovskite-like structure in the framework of the present application is understood to mean both the perovskite structure itself and those derived from the perovskite structure type. The term "perovskite-like compounds" or "perovskite-like phases" in the framework of this application refers to compounds and phases with a perovskite-like structure.

В частности, термином «галогенидный перовскит» в рамках настоящей заявки обозначают фазы с формулой АВХ3, обладающие кубической сингонией или любой иной более низкой сингонией (например, тетрагональной, ромбической), а также смеси различных фаз галогенидных перовскитов. Структура галогенидных перовскитов состоит из трехмерной сетки сочлененных вершинами октаэдров [ВХ6] или искаженных октаэдров, состоящих из центрального атома - компонента В (катиона Bn+) и шести атомов X (анионов X-).In particular, the term "halide perovskite" in the framework of this application denotes phases with the formula ABX 3 having a cubic syngony or any other lower syngony (eg, tetragonal, rhombic), as well as mixtures of different phases of halide perovskites. The structure of halide perovskites consists of a three-dimensional network of vertex-articulated [BX6] octahedra or distorted octahedra, consisting of a central atom, component B (B n + cation) and six X atoms (X - anions).

В частности, под фазами с перовскитоподобной структурой подразумеваются фазы так называемых слоистых перовскитов, содержащих слои сочлененных вершинами октаэдров или искаженных октаэдров состава [ВХ6] (перовскитные слои) по крайней мере в одной плоскости, чередующиеся с какими-либо другими слоями.In particular, phases with a perovskite-like structure are understood as phases of the so-called layered perovskites containing layers of vertex-articulated octahedra or distorted octahedra of composition [BX6] (perovskite layers) in at least one plane, alternating with some other layers.

Под компонентами ОНКГ в рамках настоящей заявки понимают катион Az+, катион Bk+, и анион X-, содержащиеся в растворе, в составе ОНКГ или в составе реагентов, которые растворяют в растворной композиции для получения из нее монокристаллов ОНКГ.Within the framework of the present application, the components of GOCH are understood to mean cation A z + , cation B k + , and anion X - contained in solution, in the composition of GOCH or in the composition of reagents, which are dissolved in a solution composition to obtain single crystals of GOCH from it.

Термин «растворная композиция» в контексте настоящего технического решения используется для обозначения любого растворителя или смеси растворителей, или смеси растворителей, содержащей любые растворенные твердые (например, соли) или газообразные компоненты (например, галогеноводороды).The term "solution composition" in the context of the present technical solution is used to mean any solvent or mixture of solvents, or mixture of solvents containing any dissolved solid (eg, salts) or gaseous components (eg, hydrogen halides).

Под растворяющей способностью [Роговин, Захар Александрович, Т. 1: «Основы химии и технологии производства химических волокон», Издательство: Химия, 1974, стр. 55] растворной композиции по отношению к соединению (например, ОНКГ) при данной температуре понимают величину, измеряемую в единицах концентрации (молях на литр - М или любых других), численно равную растворимости данного соединения в данной растворной композиции при данной температуре. Растворимостью соединения в растворителе или растворной композиции называют величину, измеряемую в единицах концентрации и численно равную концентрации насыщенного раствора данного соединения в данном растворителе (растворной композиции) при данной температуре Т.Under the dissolving ability [Rogovin, Zakhar Aleksandrovich, T. 1: "Fundamentals of chemistry and technology for the production of chemical fibers", Publisher: Chemistry, 1974, p. 55] solution composition in relation to the compound (for example, ONKG) at a given temperature is understood as the value, measured in concentration units (moles per liter - M or any other), numerically equal to the solubility of a given compound in a given solution composition at a given temperature. The solubility of a compound in a solvent or solution composition is a value measured in units of concentration and numerically equal to the concentration of a saturated solution of a given compound in a given solvent (solution composition) at a given temperature T.

В рамках настоящей заявки, термином нейтральный растворитель по отношению к ОНКГ называют любой растворитель, не растворяющий ОНКГ, на разлагающий его и не образующий с ним соединений.In the framework of this application, the term neutral solvent in relation to GOCH refers to any solvent that does not dissolve GOCH, decompose it and does not form compounds with it.

Термином химическая конверсия соединения N в соединение М в рамках настоящей заявки обозначается любой процесс химического превращения соединения N в соединение М, необходимым условием которого является протекание химической реакции, по меньшей мере одним из реагентов в которой является N, и, по меньшей мере одним из продуктов которой является М. Численно степень химической конверсии обозначает долю реагента М превращенного в продукт N, указывается в %.The term chemical conversion of compound N to compound M in the framework of this application denotes any process of chemical conversion of compound N into compound M, the necessary condition of which is the occurrence of a chemical reaction, at least one of the reagents in which is N, and at least one of the products which is M. Numerically, the degree of chemical conversion denotes the proportion of reagent M converted to product N, indicated in%.

Под монокристаллами в контексте настоящей заявки понимают кристаллы ОНКГ с линейным размером по любому из направлений 5 мкм и более.In the context of the present application, single crystals are understood to mean ONCH crystals with a linear size in any direction of 5 μm or more.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Технической проблемой является необходимость преодоления недостатков, присущих известным аналогам и прототипу, посредством создания технологически простого способа формирования монокристаллов ОНКГ заданного химического состава и структуры из раствора при постоянной температуре, без добавления к раствору антисольвента и с малыми временными затратами.A technical problem is the need to overcome the disadvantages inherent in known analogs and the prototype by creating a technologically simple method for forming ONCG single crystals of a given chemical composition and structure from a solution at a constant temperature, without adding an antisolvent to the solution and with low time costs.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении возможности снижения растворимости компонентов ОНКГ в растворе путем химической конверсии растворителя в продукт, не растворяющий или плохо растворяющий ОНКГ непосредственно в растворной композиции, из которой проводят кристаллизацию, что способствует получению монокристаллов заданного химического состава из раствора при постоянной температуре, без использования специального оборудования, без добавления к раствору антисольвента и с малыми временными затратами.The technical result achieved with the use of the claimed invention is to provide the possibility of reducing the solubility of the components of the ONCH in solution by chemical conversion of the solvent into a product that does not dissolve or poorly dissolves ONCH directly in the solution composition from which crystallization is carried out, which contributes to the production of single crystals of a given chemical composition from solution at a constant temperature, without the use of special equipment, without adding an antisolvent to the solution and with low time costs.

Заявляемый технический результат достигается тем, что способ получения монокристаллов органо-неорганического комплексного галогенида (ОНКГ) состава AnBX(nz+k), где z = 1-2, k = 2-4, 0<n≤4, включает:The claimed technical result is achieved by the fact that the method for producing single crystals of an organo-inorganic complex halide (ONCH) of composition A n BX (nz + k) , where z = 1-2, k = 2-4, 0 <n≤4, includes:

А) приготовление растворной композиции, содержащейA) preparation of a mortar composition containing

- по меньшей мере, один полярный растворитель (S), растворимость ОНКГ в котором равна (С, T1);- at least one polar solvent (S), the solubility of the ONCH in which is equal to (C, T 1 );

- реагент (М), взятый в количестве, обеспечивающем мольное соотношение M/S от 0,05 до 15, предназначенный для химической реакции с растворителем S и обеспечивающей его химическую конверсию, продуктом которой является по меньшей мере одно газообразное или жидкофазное соединение, или их смесь (S1), растворимость ОНКГ в котором равна (C1, T1), где C1<C;- reagent (M), taken in an amount providing a molar ratio M / S from 0.05 to 15, intended for a chemical reaction with a solvent S and providing its chemical conversion, the product of which is at least one gaseous or liquid-phase compound, or their a mixture (S 1 ), the solubility of the ONCH in which is equal to (C 1 , T 1 ), where C 1 <C;

- компоненты ОНКГ, в качестве которых используют- components of ONCG, which are used as

- органический катион Az+ или неорганический катион, выбранный из катионов аммония (NH4 +), цезия (Cs+) или рубидия (Rb+) или их смесь;- an organic cation A z + or an inorganic cation selected from ammonium (NH 4 + ), cesium (Cs + ) or rubidium (Rb + ) cations, or a mixture thereof;

- поливалентный катион металла Bk+;- polyvalent metal cation B k + ;

- галогенид или псевдогалогенид ион X-, при этом в растворной композиции концентрация [Az+] составляет от 0.1 М до 7М, концентрация [Bk+] составляет от 0.1 М до 3.5 М, концентрация [X-] составляет от 0.2М до 10 М,- halide or pseudohalide ion X - , while in the solution composition the concentration [A z + ] is from 0.1 M to 7 M, the concentration [B k + ] is from 0.1 M to 3.5 M, the concentration [X - ] is from 0.2 M to 10 M ,

при этом растворная композиция имеет концентрацию ОНКГ равную или меньшую растворимости ОНКГ (C1, T1) в растворе с данным соотношением M/S;when this solution composition has a concentration of ONCH equal or less than the solubility of ONCH (C 1 , T 1 ) in solution with a given ratio M / S;

Б) выдерживание полученной растворной композиции при постоянной температуре Т1 до достижения химической конверсии по меньшей мере 10% S в S1, обеспечивающей формирование монокристаллов ОНКГ.B) maintaining the obtained solution composition at a constant temperature T1 until a chemical conversion of at least 10% S to S 1 is achieved, which ensures the formation of ONCH single crystals.

В качестве химической реакции может быть использованAs a chemical reaction can be used

- сольволиз, при этом в качестве полярного растворителя S используют лактоны или эфиры угольной кислоты, а в качестве реагента М используют воду или спирт, или протонную кислоту-неокислитель или их смесь;- solvolysis, while lactones or carbonic acid esters are used as the polar solvent S, and water or alcohol is used as the reagent M, or a non-oxidizing protic acid or a mixture thereof;

- этерификацию с образованием сложного или простого эфира, при этом в качестве полярного растворителя S используют спирты или эфироспирты или их смесь с карбоновой кислотой, а в качестве реагента М используют протонную кислоту, не окисляющую галогенид или псевдогалогенид ионы X-, или ее раствор.- esterification with the formation of an ester or a simple ether, while alcohols or ether alcohols or their mixture with a carboxylic acid are used as the polar solvent S, and a protic acid that does not oxidize the halide or pseudohalide ions X - or its solution is used as the reagent M.

В качестве реакции сольволиза может быть использованAs a solvolysis reaction can be used

- гидролиз, при этом в качестве реагента М используют воду в чистом виде или воду в составе водного раствора протонной кислоты, неокисляющей галогенид или псевдогалогенид ионы X-;- hydrolysis, in this case, as a reagent M, water is used in its pure form or water in the composition of an aqueous solution of protic acid, non-oxidizing halide or pseudohalide ions X - ;

- алкоголю, при этом в качестве реагента М используют спирт в чистом виде или в составе спиртового раствора протонной кислоты, неокисляющей галогенид или псевдогалогенид ионы X-.- alcohol, while alcohol is used as a reagent M in pure form or as part of an alcoholic solution of protic acid, which non-oxidizes halide or pseudohalide ions X - .

В качестве лактона используют оксолан-2-он, δ-валеролактон, ε-капролактон, в качестве эфира угольной кислоты используют диметилкарбонат, пропиленкарбонат или этиленкарбонат, а в качестве протонной кислоты, не окисляющей галогенид или псевдогалогенид ионы X-, используют галогеноводородную кислоту, уксусную кислоту, трихлоруксусную кислоту, трифторуксусную кислоту, фосфористую кислоту, фосфорноватистую кислоту, в качестве спирта используют метанол, этанол, пропанол, бутанол.Oxolan-2-one, δ-valerolactone, ε-caprolactone are used as lactone, dimethyl carbonate, propylene carbonate or ethylene carbonate is used as a carbonic ester, and as a protic acid that does not oxidize halide or pseudohalide ions X - , hydrochloric acid is used, acid, trichloroacetic acid, trifluoroacetic acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid, methanol, ethanol, propanol, butanol are used as alcohol.

В качестве спирта используют метанол, этанол, изопропанол, этиленгликоль, в качестве карбоновой кислоты используют уксусную кислоту, пропионовую кислоту, в качестве эфироспирта используют метоксиэтанол, этоксиэтанол, этоксипропанол. Под постоянной температурой Т1 понимают любую температуру выше температуры замерзания растворной композиции, и ниже температуры кипения самого низкокипящего компонента растворной композиции с учетом погрешности +/- 5°С. Выдерживание композиции осуществляют в диапазоне от 5 мин до 30 дней.Methanol, ethanol, isopropanol, ethylene glycol are used as alcohol, acetic acid, propionic acid are used as carboxylic acid, methoxyethanol, ethoxyethanol, ethoxypropanol are used as etheroalcohol. Constant temperature T1 is understood to mean any temperature above the freezing point of the solution composition, and below the boiling point of the lowest-boiling component of the solution composition, taking into account an error of +/- 5 ° C. The composition is held in the range from 5 minutes to 30 days.

Катион Az+ выбран из числа однозарядных (z = 1) замещенных катионов аммония (первичных, вторичных, третичных, четвертичных), катионов формамидиния, гаунидиния, ацетамидиния, либо неорганических катионов аммония (NH4 +), цезия (Cs+) или рубидия (Rb+), либо двухзарядных (z = 2) катионов алкилдиаммония, в качестве Bk+ используют поливалентные катионы Pb, Sn или Bi, в качестве X- используют анионы Cl-, Br-, I- или SCN-.The A z + cation is selected from among singly charged (z = 1) substituted ammonium cations (primary, secondary, tertiary, quaternary), formamidinium, gaunidinium, acetamidinium cations, or inorganic ammonium (NH 4 + ), cesium (Cs + ), or rubidium cations ( Rb + ), or double-charged (z = 2) alkyldiammonium cations, as B k + polyvalent cations Pb, Sn or Bi are used, as X - anions Cl - , Br - , I - or SCN - are used .

Реагент М может быть использован в составе растворной композиции в смеси с дополнительным реагентом, не расходуемым непосредственно в ходе химической конверсии полярного растворителя S, при этом в качестве такого дополнительного реагента используют галогеноводороды, органические кислоты, неорганические кислоты, неокисляющие галогенид или псевдогалогенид ионы X-. В состав растворной композиции может быть добавлен органический полярный растворитель, не участвующий в реакции с компонентом М.Reagent M can be used in the composition of the solution composition in a mixture with an additional reagent that is not consumed directly during the chemical conversion of the polar solvent S; in this case, hydrogen halides, organic acids, inorganic acids, non-oxidizing halide or pseudohalide ions X - are used as such an additional reagent. An organic polar solvent that does not react with component M can be added to the composition of the solution composition.

Заявляемое изобретение поясняется следующими изображениями:The claimed invention is illustrated by the following images:

На Фиг. 1 представлена дифрактограмма порошка монокристаллов MAPbI3, полученных при реализации частного случая предлагаемого метода, условия которого указаны в строке №2 Таблицы 1 в разделе «Примеры реализации изобретения».FIG. 1 shows a diffraction pattern of a powder of MAPbI 3 single crystals obtained by implementing a particular case of the proposed method, the conditions of which are indicated in line No. 2 of Table 1 in the section "Examples of implementation of the invention".

На Фиг. 2 представлена фотография монокристаллов перовскита MAPbI3, полученных при реализации частного случая предлагаемого метода, условия которого указаны в строке №2 Таблицы 1 в разделе «Примеры реализации изобретения».FIG. 2 shows a photograph of MAPbI 3 perovskite monocrystals obtained by implementing a particular case of the proposed method, the conditions of which are indicated in line No. 2 of Table 1 in the section "Examples of implementation of the invention".

На Фиг. 3. показана дифрактограмма растертых в порошок монокристаллов FA0.8MA0.2PbI3, полученных при реализации частного случая предлагаемого метода, условия которого указаны в строке №4 Таблицы 1FIG. 3. shows the diffraction pattern of single crystals ground into powder FA 0.8 MA 0.2 PbI 3 , obtained by implementing a particular case of the proposed method, the conditions of which are indicated in line No. 4 of Table 1

На Фиг. 4 показана фотография монокристаллов перовскита FA0.8MA0.2PbI3, полученных при реализации частного случая предлагаемого метода, условия которого указаны в строке №4 Таблицы 1.FIG. 4 shows a photograph of single crystals of FA 0.8 MA 0.2 PbI 3 perovskite obtained by implementing a particular case of the proposed method, the conditions of which are indicated in line No. 4 of Table 1.

На Фиг. 5а. Показана фотография монокристалла слоистой перовскитоподобной фазы BA2PbI4, полученного при реализации частного случая предлагаемого метода, условия которого указаны в строке №5 Таблицы 1.FIG. 5a. Shown is a photograph of a single crystal of the layered perovskite-like phase BA 2 PbI 4 , obtained by implementing a particular case of the proposed method, the conditions of which are indicated in line No. 5 of Table 1.

На Фиг. 5б показана дифрактограмма растертых в порошок монокристаллов BA2PbI4, полученных при реализации частного случая предлагаемого метода, условия которого указаны в строке №5 Таблицы 1.FIG. 5b shows a diffraction pattern of BA 2 PbI 4 single crystals ground into powder, obtained by implementing a particular case of the proposed method, the conditions of which are indicated in line No. 5 of Table 1.

На Фиг. 6 показана фотография монокристалла слоистой перовскитоподобной фазы BA2MAPb2I7, полученного при реализации частного случая предлагаемого метода, условия которого указаны в строке №7 Таблицы 1.FIG. 6 shows a photograph of a single crystal of the layered perovskite-like phase BA 2 MAPb 2 I 7 , obtained by implementing a particular case of the proposed method, the conditions of which are indicated in line No. 7 of Table 1.

На Фиг. 7. показана дифрактограмма растертых в порошок монокристаллов BA2MAPb2I7, полученных при реализации частного случая предлагаемого метода, условия которого указаны в строке №7 Таблицы 1.FIG. 7. shows the diffraction pattern of single crystals of BA 2 MAPb 2 I 7 ground into powder, obtained by implementing a particular case of the proposed method, the conditions of which are indicated in line No. 7 of Table 1.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Ключевым отличием предлагаемого способа кристаллизации органо-неорганических комплексных галогенидов (ОНКГ) из раствора является новый подход к созданию пересыщения в растворе, способствующего началу кристаллизации. Пересыщение (т.е. достижение концентрации ОНКГ, превышающей концентрацию насыщенного его раствора в растворной композиции) в предлагаемом способе достигается за счет постепенного уменьшения количества полярного органического растворителя (S) в растворной композиции происходит за счет его расходования в химической реакции добавленным изначально в состав растворной композиции реагентом М, в качестве которого может выступать другой растворитель ОНКГ и/или нейтральный компонент. В общем случае уравнение реакции может быть записана как:The key difference of the proposed method for crystallization of organo-inorganic complex halides (ONCH) from solution is a new approach to the creation of supersaturation in solution, which promotes the onset of crystallization. Supersaturation (i.e., the achievement of a concentration of ONCH exceeding the concentration of its saturated solution in the solution composition) in the proposed method is achieved by a gradual decrease in the amount of polar organic solvent (S) in the solution composition occurs due to its consumption in the chemical reaction added initially to the composition of the solution composition with reagent M, which can be another ONKG solvent and / or a neutral component. In general, the reaction equation can be written as:

S+M=S1.S + M = S 1 .

Продуктами такой реакции могут быть газообразные и/или жидкие соединения (S1), при этом последние должны проявлять к ОНКГ сниженную по сравнению с S растворяющую способность. Протекание во времени химической реакции с участием (S) в качестве реагента и образованием (S1) в качестве продукта в составе растворной композиции приводит к постепенной химической конверсии полярного растворителя (S).The products of such a reaction can be gaseous and / or liquid compounds (S 1 ), while the latter should exhibit a reduced dissolving ability to GOCH compared to S. The course of a chemical reaction in time with the participation of (S) as a reagent and the formation of (S 1 ) as a product in the composition of the solution composition leads to a gradual chemical conversion of the polar solvent (S).

Снижение количества растворителя S в растворной композиции в предлагаемом способе происходит без его испарения, экстракции или иного физического удаления в неизменном виде, а исключительно за счет расходования в химической реакции с компонентом М также расходуемым. Следует отметить, что в предлагаемом способе растворимость ОНКГ в растворной композиции понижается без дополнительного добавления к ней после приготовления каких-либо компонентов, а в результате изменения состава самой растворной композиции во времени, вследствие протекания в ней химической конверсии «исходного» полярного растворителя S в продукты S1.The decrease in the amount of solvent S in the solution composition in the proposed method occurs without evaporation, extraction or other physical removal in unchanged form, but exclusively due to consumption in a chemical reaction with component M, which is also consumable. It should be noted that in the proposed method, the solubility of ONCH in the solution composition decreases without additional addition to it after the preparation of any components, and as a result of the change in the composition of the solution composition itself over time, due to the chemical conversion of the "original" polar solvent S into products S 1 .

Необходимым условием понижения растворимости ОНКГ в растворной композиции в ходе химической конверсии является меньшая растворимость ОНКГ в смеси конечного состава, содержащей сниженное количество полярного органического растворителя S и дополнительное количество продуктов конверсии S1. Данное условие достигается в том случае, если предельная концентрация (или растворимость) ОНКГ в растворителе S превышает его предельную концентрацию в S1. Таким образом, в качестве S и S1 принципиально может быть взята любая пара соединений, где S способен растворять ОНКГ в сравнительно высокой концентрации (предпочтительно более 0.5М), a S1 не способен растворять ОНКГ или растворяет его лишь в концентрации меньшей (по меньшей мере на 10%) чем растворитель S. Кроме того, должна существовать химическая реакция превращения реагента S в продукт S1 (S+М=S1). Примерами удовлетворяющих заявленному условия пар S и S1 являются: этиленкарбонат (растворимость ОНКГ: 0.5-1.2 М) и этиленгликоль (растворимость ОНКГ: 0.05-0.1 М), пропиленкарбонат (растворимость ОНКГ: 0.4-1.1 М) и пропиленгликоль (растворимость ОНКГ: 0.05-0.1 М), этанол (растворимость ОНКГ в присутствии ацетонитрила - до 1.3 М) и диэтиловый эфир (растворимость ОНКГ в присутствии любых растворителей - менее 0.1 М).A necessary condition for lowering the solubility of ONCH in the solution composition during chemical conversion is the lower solubility of ONCH in a mixture of the final composition containing a reduced amount of polar organic solvent S and an additional amount of conversion products S 1 . This condition is achieved if the limiting concentration (or solubility) of GOCH in the solvent S exceeds its limiting concentration in S 1 . Thus, as S and S 1, in principle, any pair of compounds can be taken, where S is able to dissolve ONCH in a relatively high concentration (preferably more than 0.5 M), and S 1 is not able to dissolve ONCH or dissolves it only in a lower less than 10%) than the solvent S. In addition, there must be a chemical reaction that converts the reagent S into the product S 1 (S + M = S 1 ). Examples of pairs S and S 1 satisfying the stated conditions are: ethylene carbonate (ONCH solubility: 0.5-1.2 M) and ethylene glycol (ONCH solubility: 0.05-0.1 M), propylene carbonate (ONCH solubility: 0.4-1.1 M) and propylene glycol (ONCH solubility: 0.05 -0.1 M), ethanol (the solubility of ONCH in the presence of acetonitrile is up to 1.3 M) and diethyl ether (the solubility of ONCH in the presence of any solvents is less than 0.1 M).

Таким образом, если за данное время в растворной композиции, содержащей растворитель S и имеющей концентрацию ОНКГ - C1 равную растворимости данного ОНКГ в растворной композиции данного состава при температуре T1, была достигнута химическая конверсия некоторой доли (X) растворителя S в S1, растворимость данного ОНКГ в котором составляет (С2), такую что С2<C1, то в данной растворной композиции будет неизбежно достигнуто пересыщение по ОНКГ и начнется его кристаллизация. Опытным путем определено, что условием выпадения монокристаллов из такой растворной композиции является достижение химической конверсии по меньшей мере 10% растворителя S.Thus, if during a given time in a solution composition containing a solvent S and having a concentration of ONCH - C 1 equal to the solubility of this ONCH in a solution composition of a given composition at a temperature T 1 , a chemical conversion of a certain fraction (X) of solvent S into S 1 was achieved, the solubility of a given ONCH in which is (C 2 ), such that C 2 <C 1 , then in this solution composition supersaturation with respect to ONCH will inevitably be achieved and its crystallization will begin. It has been experimentally determined that the condition for the precipitation of single crystals from such a solution composition is to achieve a chemical conversion of at least 10% of the solvent S.

В общем случае реализации предложенного способа для получения монокристаллов используют растворную композицию с концентрацией ОНКГ О, меньшей растворимости данного ОНКГ в растворной композиции данного состава при температуре Т1. В таком случае минимальная доля X растворителя S, подвергшегося химической конверсии S1 (или минимальна степень химической конверсии) необходимая для начала кристаллизации может быть определена следующим образом:In the general case of the implementation of the proposed method to obtain single crystals, a solution composition is used with a concentration of ONCH O less than the solubility of this ONCH in a solution composition of this composition at a temperature T 1 . In this case, the minimum fraction X of the solvent S that underwent chemical conversion S 1 (or the minimum degree of chemical conversion) required for the initiation of crystallization can be determined as follows:

X≥(C1)/(С2).X≥ (C 1 ) / (C 2 ).

Среди химических реакций, используемых при реализации заявляемого изобретения, могут быть выделены две основные группы, обеспечивающие химическую конверсию полярного растворителя и приводящих к снижению его концентрации в растворной композиции:Among the chemical reactions used in the implementation of the claimed invention, two main groups can be distinguished, providing chemical conversion of the polar solvent and leading to a decrease in its concentration in the solution composition:

1) Реакции сольволиза с участием по меньшей мере одного полярного органического растворителя S и реагента М в составе растворной композиции с образованием жидкофазных, либо газообразных продуктов, либо их смеси (S1);1) Solvolysis reactions involving at least one polar organic solvent S and a reagent M in the composition of a solution composition with the formation of liquid-phase or gaseous products, or their mixtures (S 1 );

2) Реакции этерификации с участием по меньшей мере одного полярного органического растворителя (S) и реагента М в составе растворной композиции с образованием жидкофазных, либо газообразных продуктов, либо их смеси (S1).2) Esterification reactions involving at least one polar organic solvent (S) and reagent M in the composition of the solution composition with the formation of liquid-phase or gaseous products, or their mixture (S 1 ).

В первом (1) случае реализации предлагаемого способа в качестве реакции сольволиза используют реакцию гидролиза с образованием жидкофазных компонентов, растворимость ОНКГ в которых ниже чем в исходном полярном растворителе. В качестве полярного растворителя (S) в данном случае используют эфиры угольной кислоты карбонаты (пропиленкарбонат, этиленкарбонат и другие), а также лактоны и другие циклические эфиры карбоновых кислот (3,6-диметил-1,4-диоксан-2,5-дион, 1,4-диоксан-2,5-дион и др.), а в качестве реагента М выступает вода, в чистом виде или в смеси с любыми иными компонентами (в том числе галогеноводородами, органическими кислотами и растворителями). В частности, вода может добавляться в состав растворной композиции в составе концентрированных растворов кислот. Однако, независимо от наличия добавок, реагентом, участвующим и расходуемым в реакции гидролиза, остается вода, поэтому мольное соотношение M/S вычисляется именно по отношению к воде как реагенту М.In the first (1) case of the implementation of the proposed method, the hydrolysis reaction is used as a solvolysis reaction with the formation of liquid-phase components, the solubility of ONCH in which is lower than in the initial polar solvent. In this case, carbonic acid esters carbonates (propylene carbonate, ethylene carbonate and others), as well as lactones and other cyclic esters of carboxylic acids (3,6-dimethyl-1,4-dioxane-2,5-dione , 1,4-dioxane-2,5-dione, etc.), and water acts as a reagent M, in pure form or in a mixture with any other components (including hydrogen halides, organic acids and solvents). In particular, water can be added to the composition of the solution composition in the composition of concentrated acid solutions. However, regardless of the presence of additives, water remains the reagent involved and consumed in the hydrolysis reaction, so the molar ratio M / S is calculated precisely in relation to water as reagent M.

В частности, при гидролизе этиленкарбоната и пропиленкарбоната образуются двухосновные спирты (S1) - этиленгликоль и пропиленгликоль соответственно, в которых растворимость любых ОНКГ ниже чем растворимость данных ОНКГ в этиленкарбонате и пропиленкарбонате. Таким образом, по мере протекания гидролиза количество полярного растворителя S в реакционной композиции уменьшается, вследствие чего снижается растворимость ОНКГ. Также в ходе гидролиза эфиров угольной кислоты образуется углекислый газ (СО2), который улетучивается из растворной композиции и не влияет на растворимость.In particular, during the hydrolysis of ethylene carbonate and propylene carbonate, dibasic alcohols (S 1 ) are formed - ethylene glycol and propylene glycol, respectively, in which the solubility of any GOCH is lower than the solubility of these GOCH in ethylene carbonate and propylene carbonate. Thus, as the hydrolysis proceeds, the amount of the polar solvent S in the reaction composition decreases, as a result of which the solubility of the ONCH decreases. Also, during the hydrolysis of carbonic acid esters, carbon dioxide (CO 2 ) is formed, which escapes from the solution composition and does not affect the solubility.

В частных случаях реализации предлагаемого способа в качестве растворителя S, подвергаемого химической конверсии за счет гидролиза, используют оксолан-2-он, δ-валеролактон, ε-капролактон, при гидролизе которых в кислой среде образуются соответственно 4-гидроксибутановая кислота, 5-гидроксивалериановая кислота (S1), ε-гидроксикапроновая кислота, которые не способны растворять ОНКГ в концентрации выше 0,1 М. Поскольку растворимость различных ОНКГ в указанных лактонах составляет порядка 0,5-1,5 М, что обеспечивает возможность получения монокристаллов ОНКГ из растворных композиций содержащих данные растворители.In particular cases of the implementation of the proposed method, oxolan-2-one, δ-valerolactone, ε-caprolactone are used as a solvent S, subjected to chemical conversion due to hydrolysis, during the hydrolysis of which in an acidic medium, 4-hydroxybutanoic acid, 5-hydroxyvaleric acid are formed, respectively (S 1 ), ε-hydroxycaproic acid, which are not able to dissolve ONCH at a concentration higher than 0.1 M. Since the solubility of various ONCH in these lactones is about 0.5-1.5 M, which makes it possible to obtain ONCH single crystals from solution compositions containing these solvents.

Ускорение химической конверсии растворителя S за счет гидролиза позволяет получать кристаллы с большим выходом. Для ускорения реакции гидролиза в растворную композицию может быть добавлена концентрированная кислота или раствор кислоты. Наиболее удобным является добавление концентрированных водных растворов галогеноводородных кислот - НХ (НСlконц., НВrконц., НIконц.) поскольку они содержат те же анионы, что и кристаллизуемое вещество (ОНГК) и не загрязняют его. Также используют карбоновые кислоты и галогензамещенные карбоновые кислоты, в частности, трихлоруксусную кислоту, а также неорганические кислоты - неокислители, в частности, фосфористую кислоту. Мольное соотношение кислоты к растворителю (HX/S) в растворной композиции выбирают в области от 0.01 до 2.Acceleration of the chemical conversion of solvent S due to hydrolysis allows one to obtain crystals in high yield. A concentrated acid or acid solution can be added to the solution composition to accelerate the hydrolysis reaction. The most convenient is the addition of concentrated aqueous solutions of hydrohalic acids - HX (HCl conc. , HBr conc. , HI conc. ) Since they contain the same anions as the crystallized substance (ONGA) and do not contaminate it. Also used are carboxylic acids and halogenated carboxylic acids, in particular trichloroacetic acid, as well as non-oxidizing inorganic acids, in particular phosphorous acid. The molar ratio of acid to solvent (HX / S) in the solution composition is selected in the range from 0.01 to 2.

Во втором случае реализации предлагаемого способа в качестве реакции сольволиза используют реакцию алкоголиза. При этом в качестве полярного растворителя (S) в данном случае используют эфиры угольной кислоты карбонаты (пропиленкарбонат, этиленкарбонат и другие), а также лактоны, а в качестве реагента М выступает спирт или смесь спирта с любыми иными компонентами (в том числе галогеноводородами, кислотами и растворителями). При этом, независимо от состава реагента М химическим компонентом, участвующим и расходуемым в реакции гидролиза, является спирт, поэтому мольное соотношение M/S вычисляется именно по отношению к количеству спирта в реагенте М.In the second case of the implementation of the proposed method, the alcoholysis reaction is used as the solvolysis reaction. In this case, carbonic acid esters, carbonates (propylene carbonate, ethylene carbonate and others), as well as lactones, are used as the polar solvent (S), and alcohol or a mixture of alcohol with any other components (including hydrogen halides, acids and solvents). In this case, regardless of the composition of reagent M, the chemical component involved and consumed in the hydrolysis reaction is alcohol; therefore, the molar ratio M / S is calculated precisely in relation to the amount of alcohol in reagent M.

В вышеуказанном случае реализации предложенного способа в качестве продуктов сольволиза (S1) могут выступать гликоли, простые эфиры (диэтилгликоль) или эфироспирты (моноэтилгликоль), а также диалкилкарбонаты. Формирование продуктов сольволиза было исследовано и подтверждено методом Рамановской спектроскопии и ЯМР спектроскопии. Во всех указанных жидкофазных продуктах алкоголиза (S1) ОНКГ имеют растворимость не выше 0,1-0,2 М, что позволяет использовать реакции алкоголиза с участием одноосновных спиртов для химической конверсии полярных растворителей и снижения растворимости ОНКГ в реакционной смеси по мере протекания реакции алкоголиза.In the above case, the implementation of the proposed method as products of solvolysis (S 1 ) can be glycols, ethers (diethyl glycol) or ether alcohols (monoethyl glycol), as well as dialkyl carbonates. The formation of solvolysis products was investigated and confirmed by Raman spectroscopy and NMR spectroscopy. In all of these liquid-phase alcoholysis products (S 1 ), ONCH have a solubility of no higher than 0.1-0.2 M, which makes it possible to use alcoholysis reactions with the participation of monobasic alcohols for the chemical conversion of polar solvents and decrease the solubility of ONCH in the reaction mixture as the alcoholysis reaction proceeds ...

В частном случае реализации предложенного способа монокристаллы ОНКГ состава BA2PbI4 и (NH4 +)3Bi2I9 получали выдерживанием смеси этиленкарбоната (S), этанола (М) и трихлоруксусной или йодоводородной кислоты (HX/S<0.1) при 40°С в течение 3-6 часов.In a particular case of the implementation of the proposed method, single crystals of ONKG of the composition BA 2 PbI 4 and (NH 4 + ) 3 Bi 2 I 9 were obtained by keeping a mixture of ethylene carbonate (S), ethanol (M), and trichloroacetic or hydroiodic acid (HX / S <0.1) at 40 ° C for 3-6 hours.

В другом случае реализации предлагаемого способа полярный растворитель (S) вступает в реакцию этерификации с компонентом (М) или одним из реагентов в составе компонента М с образованием сложного или простого эфира, не растворяющего ОНКГ, что обеспечивает понижение растворимости, достижение пересыщения исходного раствора и кристаллизацию. В качестве полярного растворителя S в данном случае используют спирты и смеси спиртов и карбоновых кислот.In another case of the implementation of the proposed method, the polar solvent (S) enters into an esterification reaction with component (M) or one of the reagents in the composition of component M with the formation of an ester or simple ether that does not dissolve ONCH, which provides a decrease in solubility, achievement of supersaturation of the initial solution and crystallization ... In this case, alcohols and mixtures of alcohols and carboxylic acids are used as the polar solvent S.

В частном случае реализации предложенного способа монокристаллы ОНКГ состава MAPbBr3 получали выдерживанием смеси уксусной кислоты (S), этанола (М) и бромоводородной кислоты (HX/S<0.1) при 70°С в течение 3 часов.In a particular case of the implementation of the proposed method, single crystals of ONCH of the composition MAPbBr 3 were obtained by keeping a mixture of acetic acid (S), ethanol (M), and hydrobromic acid (HX / S <0.1) at 70 ° C for 3 hours.

Следует отметить, что из уровня техники известно, что нециклические эфиры карбоновых кислот и простые эфиры не растворяют ОНКГ, поэтому принципиально проведение кристаллизации ОНКГ возможно из любой растворной композиции, содержащей одноосновный спирт и карбоновую кислоту при создании условий для этерификации. В частных случаях, для ускорения реакции этерификации в растворную композицию добавляют кислоты или водные растворы кислот, в частности, галогеноводородных кислот (НСlконц., НВrконц., HIконц.).It should be noted that it is known from the prior art that non-cyclic esters of carboxylic acids and ethers do not dissolve ONCH, therefore, in principle, crystallization of ONCH is possible from any solution composition containing a monobasic alcohol and carboxylic acid when creating conditions for esterification. In particular cases, to accelerate the esterification reaction, acids or aqueous solutions of acids, in particular, hydrohalic acids (HCl conc. , HBr conc. , HI conc. ) Are added to the solution composition.

Следует отметить, что во всех указанных реализациях заявляемого способа формирование монокристаллов достигается при выдерживании растворной композиции при постоянной температуре с точностью +/- 5°С. Согласно экспериментальным данным, отклонения температуры от изначально заданной на 5°С в большую или меньшую сторону приводит к определенным вариациям в размерах монокристаллов, полученных за заданный промежуток времени. При этом получение кристаллов ОНКГ одинакового состава и структуры из растворов идентичного состава с использованием предлагаемого способа возможно при различных температурах. Предпочтительной является реализация способа при постоянных температурах в диапазоне от 25°С до 70°С, однако экспериментально установлено, что его реализация принципиально возможна при любой температуре выше температуры замерзания используемой растворной композиции, и ниже температуры кипения растворной композиции.It should be noted that in all these implementations of the proposed method, the formation of single crystals is achieved by keeping the solution composition at a constant temperature with an accuracy of +/- 5 ° C. According to experimental data, deviations of the temperature from the initially specified by 5 ° C up or down leads to certain variations in the sizes of single crystals obtained over a given period of time. In this case, obtaining ONKG crystals of the same composition and structure from solutions of an identical composition using the proposed method is possible at different temperatures. It is preferable to implement the method at constant temperatures in the range from 25 ° C to 70 ° C, however, it has been experimentally established that its implementation is fundamentally possible at any temperature above the freezing point of the solution composition used and below the boiling point of the solution composition.

Проведение процесса при пониженной температуре (Т1<25°С) приводит к замедлению химической конверсии растворителя (S) и более медленному достижению пересыщения, что приводит к замедлению скорости образования зародышей кристаллов ОНКГ. В результате достигается формирование более крупных монокристаллов (>3 мм). Проведение процесса при повышенной температуре (Т1>50°С) приводит к более быстрой химической конверсии растворителя (S) и быстрому достижению пересыщения растворной композиции по ОНКГ (от десятков минут до часов), что приводит к формированию большого количества кристаллов малого размера (<1 мм). Таким образом, задавая температуру Т1, возможно управлять размером формирующихся монокристаллов, что продемонстрировано в примерах реализации способа, представленных в Таблице 1.Carrying out the process at a lower temperature (T1 <25 ° C) leads to a slowdown in the chemical conversion of the solvent (S) and a slower achievement of supersaturation, which leads to a slowdown in the rate of formation of nuclei of ONCH crystals. As a result, the formation of larger single crystals (> 3 mm) is achieved. Carrying out the process at an elevated temperature (T1> 50 ° C) leads to a faster chemical conversion of the solvent (S) and to a rapid achievement of supersaturation of the solution composition in terms of ONCH (from tens of minutes to hours), which leads to the formation of a large number of small crystals (<1 mm). Thus, by setting the temperature T1, it is possible to control the size of the forming single crystals, which is demonstrated in the examples of the implementation of the method presented in Table 1.

Независимо от конкретного состава растворной композиции реализация предлагаемого способа получения кристаллов ОНКГ предполагает 2 основных стадии:Regardless of the specific composition of the solution composition, the implementation of the proposed method for producing ONKG crystals involves 2 main stages:

1) приготовление растворной композиции, содержащей компоненты ОНКГ в стехиометрическом соотношении, полярный растворитель (S), вступающий в химическую реакцию и расходуемый, а также реагент (М), участвующий в реакции с растворителем или обеспечивающий ее протекание.1) preparation of a solution composition containing ONCH components in a stoichiometric ratio, a polar solvent (S) entering into a chemical reaction and consumable, as well as a reagent (M) participating in the reaction with the solvent or providing its course.

2) выдерживание полученной смеси при заданной температуре в течение заданного времени - либо вплоть до получения желаемой массы кристаллов (выхода), либо до образования монокристаллов желаемого размера2) maintaining the resulting mixture at a given temperature for a given time - either until the desired mass of crystals (yield) is obtained, or until monocrystals of the desired size are formed

После этого кристаллы извлекают раствора и при необходимости промывают нейтральным растворителем (например, этил ацетатом).The crystals are then taken out of the solution and, if necessary, washed with a neutral solvent (eg ethyl acetate).

Растворитель S и реагент М в составе начальной растворной композиции берут в мольном соотношении M/S от 0.05 до 15, поскольку именно такой диапазон обеспечивает возможность получения монокристаллов. При этом регент М может добавляться как в чистом виде, в смеси с любым добавочным реагентом, отличным от органического полярного растворителя S и не расходуемым непосредственно в ходе химической конверсии полярного растворителя S. Так, в частных случаях реализации изобретения, в качестве реагента М используют непосредственно воду, а также воду в составе растворов органических и неорганических кислот (в том числе концентрированных), не окисляющих галогенид или псевдогалогенид ионы X- в условиях проведения процесса конверсии (C1, T1). При этом наличие добавочных компонентов не учитывается при расчете мольного соотношения M/S, в расчет берется только количество вещества компонента М.Solvent S and reagent M in the initial solution composition are taken in a molar ratio M / S from 0.05 to 15, since this is the range that makes it possible to obtain single crystals. In this case, the reagent M can be added as in its pure form, in a mixture with any additional reagent other than the organic polar solvent S and not consumed directly during the chemical conversion of the polar solvent S. Thus, in particular cases of the invention, the reagent M is used directly water, as well as water in the composition of solutions of organic and inorganic acids (including concentrated) that do not oxidize halide or pseudohalide ions X - under the conditions of the conversion process (C 1 , T 1 ). In this case, the presence of additional components is not taken into account when calculating the molar ratio M / S, only the amount of substance of component M is taken into account.

Граничные значения мольного соотношения M/S определяли эмпирически, для чего:The boundary values of the molar ratio M / S were determined empirically, for which:

1) Готовили растворную композицию, включающую1) Prepared a solution composition comprising

а) полярный растворитель S, в качестве которого брали этиленкарбонат (ЕС) или пропиленкарбонат (PC)a) polar solvent S, which was taken as ethylene carbonate (EC) or propylene carbonate (PC)

б) реагент М, в качестве которого брали водный раствор концентрированной йодоводородной кислоты (HI+H2O) в количестве необходимом для достижения данного соотношения Н2О/ЕС (Н2О/РС) в растворной композицииb) reagent M, which was taken as an aqueous solution of concentrated hydroiodic acid (HI + H 2 O) in the amount necessary to achieve this ratio H 2 O / EC (H 2 O / RS) in the solution composition

2) Растворную композицию (1) добавили к порошку MAPbI3 (ОНКГ), выдержали 5 минут при перемешивании, насыщенный раствор над осадком отобрали и профильтровали2) The solution composition (1) was added to the MAPbI 3 (ONKG) powder, kept for 5 minutes with stirring, the saturated solution over the precipitate was taken and filtered

3) Отфильтрованный насыщенный раствор MAPbI3 в растворной композиции (1) с данным соотношением Н2О/ЕС разделили и выдерживали отдельные порции при температурах 20°С и 80°С вплоть до начала образования монокристаллов.3) The filtered solution was saturated MAPbI solution composition 3 (1) with the ratio H 2 O / EC separated and kept separate portions at temperatures of 20 ° C and 80 ° C until the beginning of the formation of single crystals.

В результате, в растворной композиции с соотношением Н2О/ЕС = 0.05 фиксировали образование монокристаллов MAPbI3 после выдерживания при температуре 80°С в течение 12 часов, при температуре 20°С - в течение 36 часов, тогда как для растворных композиций с соотношением Н2О/ЕС <0.05 выпадения монокристаллов не фиксировалось даже после выдерживания в течение 7 дней независимо от температуры.As a result, a solution composition with a ratio H 2 O / EC = 0.05 fixed formation MAPbI 3 single crystals after standing at 80 ° C for 12 hours, at a temperature of 20 ° C - for 36 hours, whereas the mortar compositions with a ratio H 2 O / EC <0.05, no single crystal precipitation was observed even after holding for 7 days, regardless of temperature.

Аналогично, при выдерживании растворной композиции, приготовленной согласно описанию выше, с соотношением H2O/ЕС = 15 фиксировали образование монокристаллов при температуре 80°С в течение 8 часов, при температуре 20°С - в течение 24 часов, однако образования монокристаллов не происходило даже после выдерживания в течение 7 дней независимо от температуры.Similarly, when the solution composition prepared as described above was kept with a H 2 O / EC = 15 ratio, the formation of single crystals was recorded at a temperature of 80 ° C for 8 hours, at a temperature of 20 ° C - within 24 hours, however, no single crystals were formed. even after standing for 7 days regardless of temperature.

Для растворных композиций другого состава, в частности, таких как HI-H2O-пропиленкарбонат, СН3СООН-H2O-пропиленкарбонат, и для ОНКГ различного состава (в частности, BA2PbI4, MAPbI3, MA3Bi2I9) и любых концентраций ОНКГ, экспериментально определенный нижний предел соотношения M/S, позволяющий осуществлять кристаллизацию, больше либо равен 0.05.For mortar compositions of a different composition, in particular, such as HI-H2O-propylene carbonate, CH 3 COOH-H 2 O-propylene carbonate, and for ONCG of various compositions (in particular, BA 2 PbI 4 , MAPbI 3 , MA 3 Bi 2 I 9 ) and any concentrations of ONCH, the experimentally determined lower limit of the M / S ratio, which allows crystallization, is greater than or equal to 0.05.

В частных случаях реализации предлагаемого способа, в состав растворной композиции кроме полярного растворителя, подвергаемого химической реакции могут входить дополнительные полярные растворители, не взаимодействующие с получаемым ОПКГ, не разлагающие и не растворяющие его в присутствии s1, например, ацентонитрил (см. примеры в Таблице 1), нитрометан.In particular cases of the implementation of the proposed method, in addition to the polar solvent undergoing a chemical reaction, the composition of the solution composition may include additional polar solvents that do not interact with the resulting OPKG, do not decompose or dissolve it in the presence of s 1 , for example, acetonitrile (see examples in Table 1), nitromethane.

Для внесения в раствор компонентов ОНКГ в заданной концентрации возможно использовать любые растворимые реагенты (прекурсоры), содержащие компоненты ОНКГ (органический катион Az+ (z = 1, 2) или неорганический катион, выбранный из катионов NH4 +, Cs+, Rb+; поливалентный катион металла Bk+ (k = 2-4); галогенид или псевдогалогенид ион X-). Для удобства, в большинстве указанных примеров синтеза монокристаллов (Таблица 1) в качестве реагентов использованы галогениды органических катионов (MAI -йодид метиламмония, MABr - бромид метиламмония, FAI - йодид формамидиния, BAI -йодид бутиламмония) и галогениды металлов (PbI2, PbBr2, BiI3).For the introduction of ONCH components into a solution at a given concentration, it is possible to use any soluble reagents (precursors) containing ONCH components (organic cation A z + (z = 1, 2) or an inorganic cation selected from NH 4 + , Cs + , Rb + cations; polyvalent metal cation B k + (k = 2-4); halide or pseudohalide ion X - ). For convenience, in most of these examples of the synthesis of single crystals (Table 1), organic cation halides (MAI - methylammonium iodide, MABr - methylammonium bromide, FAI - formamidinium iodide, BAI - butylammonium iodide) and metal halides (PbI 2 , PbBr 2 , BiI 3 ).

Примеры реализации изобретенияExamples of implementation of the invention

В Таблице 1 указаны основные значимые параметры процесса формирования монокристаллов ОНКГ с использованием предлагаемого способа.Table 1 shows the main significant parameters of the process of forming ONCG single crystals using the proposed method.

Количества реагентов, использованных для формирования монокристаллов ОНКГ данного состава, указаны во втором столбце таблицы; в третьем столбце указан первоначальный состав растворной композиции (количества растворителей непосредственно на момент смешения); в четвертом столбце указана температура синтеза и время, в течение которого он проводился; в пятом столбце указана полученная кристаллическая фаза согласно рентгено-фазовому анализу и общая масса кристаллов, полученных из указанного количества реагентов; в шестом столбце указан средний размер кристаллов.The amounts of reagents used to form ONCH single crystals of a given composition are indicated in the second column of the table; the third column indicates the initial composition of the solution composition (the amount of solvents immediately at the time of mixing); the fourth column indicates the temperature of the synthesis and the time during which it was carried out; the fifth column indicates the obtained crystalline phase according to X-ray phase analysis and the total mass of crystals obtained from the indicated amount of reagents; the sixth column shows the average crystal size.

Компонентами ОНКГ в представленной таблице являются:The components of the GOCG in the presented table are:

в примерах №1, 2, 3 катион метиламмония (МА+) в качестве органического катиона Az+, катион Pb2+ в качестве поливалентного катиона металла Bk+ и йодид анион (I-) в качестве аниона X-;in examples No. 1, 2, 3 methylammonium cation (MA + ) as the organic cation A z + , the Pb 2+ cation as the polyvalent metal cation B k + and iodide anion (I - ) as the anion X - ;

в примере №4 в качестве органического катиона Az+ взяты катионы метиламмония (МА+) и формамидиния (FA+), в качестве поливалентного катиона металла Bk+ взят катион Pb2+ и в качестве аниона X- - йодид анион (I-);in example No. 4, methylammonium (MA + ) and formamidinium (FA + ) cations were taken as the organic cation A z + , the Pb 2+ cation was taken as the polyvalent metal cation B k +, and the iodide anion (I - ) was taken as the X - anion;

в примерах №5, 6 в качестве органического катиона Az+ взят катион бутиламмония (ВА+), в качестве поливалентного катиона металла Bk+ взят катион Pb2+ и в качестве аниона X- - йодид анион (I-);in examples No. 5, 6, butylammonium cation (BA + ) was taken as the organic cation A z +, the cation Pb 2+ was taken as the polyvalent metal cation B k +, and the iodide anion (I - ) was taken as the anion X - ;

в примере №7 в качестве органического катиона Az+ взят катион метиламмония (МА+), в качестве поливалентного катиона металла Bk+ взят катион Pb2+ и в качестве аниона X- - бромид анион (Br-);in example No. 7, methylammonium cation (MA + ) was taken as the organic cation A z +, the cation Pb 2+ was taken as the polyvalent metal cation B k +, and the bromide anion (Br - ) was taken as the X - anion;

в примере №8 в качестве органического катиона Az+взяты катионы метиламмония (МА+) и бутиламмония (ВА+), в качестве поливалентного катиона металла Bk+ взят катион Pb2+ и в качестве аниона X- - йодид анион (I-);in example No. 8, methylammonium (MA + ) and butylammonium (BA + ) cations were taken as the organic cation A z + , the Pb 2+ cation was taken as the polyvalent metal cation B k +, and the iodide anion (I - ) was taken as the X - anion;

в примере №9 в качестве катиона Az+ взят катион аммония (NH4 +), в качестве поливалентного катиона металла Bk+ взят катион висмута (Bi3+), в качестве аниона X- - йодид анион (I-);in example No. 9, the ammonium cation (NH 4 + ) was taken as the A z + cation, the bismuth cation (Bi 3+ ) was taken as the polyvalent metal cation B k + , and the X - anion was the iodide anion (I - );

в примере №10 в качестве органического катиона Az+ взяты катионы метиламмония (МА+) и формамидиния (FA+), в качестве поливалентного катиона металла Bk+ взят катион Pb2+, в качестве аниона X- взяты йодид (I-) и бромид (Br-) анионы;in example No. 10, methylammonium (MA + ) and formamidinium (FA + ) cations were taken as the organic cation A z + , the Pb 2+ cation was taken as the polyvalent metal cation B k + , and iodide (I - ) and bromide were taken as the X anion (Br - ) anions;

в примере №11 в качестве органического катиона Az+ взят катион этилендиаммония (EDA2+), в качестве поливалентного катиона металла Bk+ взят катион Pb2+ и в качестве аниона X- - йодид анион (I-).in example No. 11 the ethylenediammonium cation (EDA 2+ ) was taken as the organic cation A z +, the cation Pb 2+ was taken as the polyvalent metal cation B k +, and the iodide anion (I - ) was taken as the X - anion.

Для всех примеров в Таблице 1 для состава растворной композиции первым указан органический растворитель, подвергаемый химической конверсии. В частности, в примерах №1, 2, 3 подвергаемый конверсии растворитель (S) - пропиленкарбонат, подвергающийся гидролизу под действием воды (реагент М)Э добавляемой в составе концентрированного раствора йодоводородной кислоты НIконц. (йодоводород - дополнительный реагент), с образованием углекислого газа и пропиленгликоля (S1) не растворяющего продукт кристаллизации (MAPbI3). В примерах №4 растворителем S является этиленкарбонат, подвергаемый гидролизу до этиленгликоля (S1) в аналогичных условиях, в примере №5 растворителем S является смесь этиленкарбоната и диэтилкарбоната, подвергаемых гидролизу до этиленгликоля и этанола (S1) соответственно. В примерах №6, 7 растворителем S является этанол, компонентом М является уксусная кислота, которые в присутствии сильной кислоты (НIконц. / НВrконц.) подвергаются этерификации с образованием этилацетата (S1) не растворяющего кристаллический продукт. Пример №9 иллюстрирует частный случай реакции сольволиза с участием этиленкарбоната (S) и этанола (М) в присутствии дополнительного реагента -HI конц., выступающего в качестве катализатора.For all examples in Table 1, for the composition of the solution composition, the organic solvent undergoing chemical conversion is indicated first. In particular, in examples No. 1, 2, 3, the solvent (S) to be converted is propylene carbonate, which undergoes hydrolysis under the action of water (reagent M) E added in the composition of a concentrated solution of hydroiodic acid HI conc. (hydrogen iodide - an additional reagent), with the formation of carbon dioxide and propylene glycol (S 1 ), which does not dissolve the crystallization product (MAPbI 3 ). In examples # 4, solvent S is ethylene carbonate hydrolyzed to ethylene glycol (S 1 ) under similar conditions; in example # 5, solvent S is a mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate hydrolyzed to ethylene glycol and ethanol (S 1 ), respectively. In examples No. 6, 7 solvent S is ethanol, component M is acetic acid, which in the presence of a strong acid (HI conc. / HBr conc. ) Undergo esterification to form ethyl acetate (S 1 ), which does not dissolve the crystalline product. Example No. 9 illustrates a particular case of the solvolysis reaction involving ethylene carbonate (S) and ethanol (M) in the presence of an additional reagent -HI conc. acting as a catalyst.

Строки №1-3 в Таблице 1 на примере органо-неорганического перовскита MAPbI3 иллюстрируют возможность управления скоростью роста монокристаллов и их размером в предлагаемом способе. Во всех трех экспериментах начальный состав растворной композиции был взят одинаковым, но затем растворы были выдержаны при 3 разных температурах. При максимальной температуре 60°С наблюдается наибольшая скорость кристаллизации, в результате уже за 2 часа в виде кристаллического осадка выпадает более 70% растворенного вещества (MAPbI3). Размер кристаллов в данном случае оказывается минимальным в силу быстрого разложения растворителя при повышенной температуре и соответственно быстрого достижения пересыщения раствора. Максимальный размер кристаллов наблюдается при минимальной температуре (20°С), в силу наиболее медленного снижения концентрации растворителя и соответственно более низкого пересыщения раствора, способствующего медленному росту крупных кристаллов.Lines No. 1-3 in Table 1, using the example of organic-inorganic perovskite MAPbI 3, illustrate the possibility of controlling the growth rate of single crystals and their size in the proposed method. In all three experiments, the initial composition of the solution composition was taken the same, but then the solutions were kept at 3 different temperatures. At a maximum temperature of 60 ° C, the highest crystallization rate is observed; as a result, more than 70% of the solute (MAPbI 3 ) precipitates as a crystalline precipitate in 2 hours. The size of the crystals in this case turns out to be minimal due to the rapid decomposition of the solvent at elevated temperatures and, accordingly, the rapid achievement of supersaturation of the solution. The maximum crystal size is observed at the minimum temperature (20 ° C), due to the slowest decrease in the solvent concentration and, accordingly, lower solution supersaturation, which promotes the slow growth of large crystals.

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Claims (21)

1. Способ получения монокристаллов органо-неорганического комплексного галогенида (ОНКГ) состава AnBX(nz+k), где z = 1-2, k = 2-4, 0<n≤4, включающий:1. A method of obtaining single crystals of an organic-inorganic complex halide (ONCH) of composition A n BX (nz + k) , where z = 1-2, k = 2-4, 0 <n≤4, including: А) приготовление растворной композиции, содержащейA) preparation of a mortar composition containing - по меньшей мере один полярный растворитель (S), растворимость ОНКГ в котором равна (С, T1);- at least one polar solvent (S), the solubility of the ONCH in which is equal to (C, T 1 ); - реагент (М) в количестве, обеспечивающем мольное соотношение M/S от 0,05 до 15, предназначенный для химической реакции с растворителем S и обеспечивающий его химическую конверсию, продуктом которой является по меньшей мере одно газообразное или жидкофазное соединение, или их смесь (S1), растворимость ОНКГ в котором равна (C1, T1), где C1<C;- reagent (M) in an amount providing a molar ratio M / S from 0.05 to 15, intended for a chemical reaction with a solvent S and providing its chemical conversion, the product of which is at least one gaseous or liquid-phase compound, or a mixture thereof ( S 1 ), the solubility of ONCH in which is equal to (C 1 , T 1 ), where C 1 <C; - компоненты ОНКГ, в качестве которых используют- components of ONCG, which are used as - органический катион Az+ или неорганический катион, выбранный из катионов аммония (NH4+), цезия (Cs+) или рубидия (Rb+), или их смесь;- organic cation A z + or an inorganic cation selected from ammonium (NH4 + ), cesium (Cs + ) or rubidium (Rb + ) cations, or a mixture thereof; - поливалентный катион металла Bk +;- polyvalent metal cation B k + ; - галогенид или псевдогалогенид ион X-, при этом в растворной композиции концентрация [Az+] составляет от 0.1 М до 7 М, концентрация [Bk +] составляет от 0.1 М до 3.5 М, концентрация [X-] составляет от 0.2 М до 10 М,- halide or pseudohalide ion X - , while in the solution composition the concentration [A z + ] is from 0.1 M to 7 M, the concentration [B k + ] is from 0.1 M to 3.5 M, the concentration [X - ] is from 0.2 M to 10 M, при этом растворная композиция имеет концентрацию ОНКГ, равную или меньшую растворимости ОНКГ (C1, T1) в растворе с данным соотношением M/S;wherein the solution composition has a concentration of ONCH equal or less than the solubility of ONCH (C 1 , T 1 ) in solution with a given M / S ratio; Б) выдерживание полученной растворной композиции при постоянной температуре Т1 до достижения химической конверсии по меньшей мере 10% S в S1, обеспечивающей формирование монокристаллов ОНКГ.B) maintaining the obtained solution composition at a constant temperature T1 until a chemical conversion of at least 10% S to S 1 is achieved, which ensures the formation of ONCH single crystals. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве химической реакции используют сольволиз, при этом в качестве полярного растворителя S используют лактоны или эфиры угольной кислоты, а в качестве реагента М используют воду или спирт или протонную кислоту-неокислитель или их смесь.2. The method according to claim 1, characterized in that solvolysis is used as a chemical reaction, while lactones or carbonic acid esters are used as polar solvent S, and water or alcohol or protic acid-non-oxidizing agent or their mixture is used as reagent M ... 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве химической реакции сольволиза используют гидролиз, при этом в качестве реагента М используют воду в чистом виде или воду в составе водного раствора протонной кислоты, не окисляющей галогенид или псевдогалогенид ионы X-.3. A method according to claim 2, characterized in that hydrolysis is used as the chemical reaction of solvolysis, and as reagent M, water is used in its pure form or water in the composition of an aqueous solution of protic acid that does not oxidize halide or pseudohalide ions X - . 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве химической реакции сольволиза используют алкоголиз, при этом в качестве реагента М используют спирт в чистом виде или в составе спиртового раствора протонной кислоты, не окисляющей галогенид или псевдогалогенид ионы X-.4. The method according to claim 3, characterized in that alcoholysis is used as the chemical reaction of solvolysis, and alcohol is used as the reagent M in pure form or as part of an alcoholic solution of protic acid that does not oxidize halide or pseudohalide ions X - . 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве химической реакции используют этерификацию с образованием сложного или простого эфира, при этом в качестве полярного растворителя S используют спирты или эфироспирты или их смесь с карбоновой кислотой, а в качестве реагента М используют протонную кислоту, не окисляющую галогенид или псевдогалогенид ионы X-, или ее раствор.5. The method according to claim 1, characterized in that esterification is used as a chemical reaction with the formation of an ester or a simple ether, while alcohols or ether alcohols or their mixture with a carboxylic acid are used as a polar solvent S, and a protic an acid that does not oxidize halide or pseudo-halide ions X - , or a solution thereof. 6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве лактона используют оксолан-2-он, δ-валеролактон, ε-капролактон, в качестве эфира угольной кислоты используют диметилкарбонат, пропиленкарбонат или этиленкарбонат, а в качестве протонной кислоты, не окисляющей галогенид или псевдогалогенид ионы X-, используют галогеноводородную кислоту, уксусную кислоту, трихлоруксусную кислоту, трифторуксусную кислоту, фосфористую кислоту, фосфорноватистую кислоту, в качестве спирта используют метанол, этанол, пропанол, бутанол.6. The method according to claim 3, characterized in that oxolan-2-one, δ-valerolactone, ε-caprolactone are used as the lactone, dimethyl carbonate, propylene carbonate or ethylene carbonate is used as the carbonic ester, and as the protic acid, which does not oxidize halide or pseudohalide ions X - , use hydrohalic acid, acetic acid, trichloroacetic acid, trifluoroacetic acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid, as alcohol used methanol, ethanol, propanol, butanol. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве спирта используют метанол, этанол, изопропанол, этиленгликоль, в качестве карбоновой кислоты используют уксусную кислоту, пропионовую кислоту, в качестве эфироспирта используют метоксиэтанол, этоксиэтанол, этоксипропанол.7. The method according to claim 6, characterized in that methanol, ethanol, isopropanol, ethylene glycol are used as alcohol, acetic acid, propionic acid are used as carboxylic acid, methoxyethanol, ethoxyethanol, ethoxypropanol are used as etheroalcohol. 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что под постоянной температурой Т1 понимают любую температуру выше температуры замерзания растворной композиции и ниже температуры кипения самого низкокипящего компонента растворной композиции.8. A method according to claim 1, characterized in that constant temperature T1 is understood as any temperature above the freezing point of the solution composition and below the boiling point of the lowest-boiling component of the solution composition. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выдерживание композиции осуществляют в диапазоне от 5 мин до 30 дней.9. The method according to claim 1, characterized in that the aging of the composition is carried out in the range from 5 minutes to 30 days. 10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в катион Az+ выбран из числа однозарядных (z=1) замещенных катионов аммония (первичных, вторичных, третичных, четвертичных), катионов формамидиния, гаунидиния, ацетамидиния, либо неорганических катионов аммония (NH4+), цезия (Cs+) или рубидия (Rb+) либо двухзарядных (z=2) катионов алкилдиаммония, в качестве Bk + используют поливалентные катионы Pb, Sn или Bi, в качестве X- используют анионы Cl-, Br-, I- или SCN-.10. The method according to claim 1, characterized in that the cation A z + is selected from among singly charged (z = 1) substituted ammonium cations (primary, secondary, tertiary, quaternary), formamidinium, gaunidinium, acetamidinium cations, or inorganic ammonium cations ( NH4 + ), cesium (Cs + ) or rubidium (Rb + ) or doubly charged (z = 2) alkyldiammonium cations, polyvalent Pb, Sn or Bi cations are used as B k + , as X - anions Cl - , Br - are used , I - or SCN - . 11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что реагент М добавляют в состав растворной композиции в смеси с дополнительным реагентом, не расходуемым непосредственно в ходе химической конверсии полярного растворителя S, при этом в качестве дополнительного реагента используют галогеноводороды, органические кислоты, неорганические кислоты, неокисляющие галогенид или псевдогалогенид ионы X-.11. The method according to claim 1, characterized in that the reagent M is added to the composition of the solution composition in a mixture with an additional reagent that is not consumed directly during the chemical conversion of the polar solvent S, while hydrogen halides, organic acids, inorganic acids are used as an additional reagent , non-oxidizing halide or pseudohalide ions X - . 12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в состав растворной композиции добавляют органический полярный растворитель, не участвующий в реакции с компонентом М.12. The method according to claim 1, characterized in that an organic polar solvent not participating in the reaction with component M is added to the composition of the solution composition.
RU2019127404A 2019-08-30 2019-08-30 Method of producing organic-inorganic complex halogenide monocrystals RU2730315C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019127404A RU2730315C1 (en) 2019-08-30 2019-08-30 Method of producing organic-inorganic complex halogenide monocrystals
PCT/RU2020/050211 WO2021040580A2 (en) 2019-08-30 2020-08-30 Method for producing single crystals of an organic-inorganic complex halide

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019127404A RU2730315C1 (en) 2019-08-30 2019-08-30 Method of producing organic-inorganic complex halogenide monocrystals

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2730315C1 true RU2730315C1 (en) 2020-08-21

Family

ID=72237718

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019127404A RU2730315C1 (en) 2019-08-30 2019-08-30 Method of producing organic-inorganic complex halogenide monocrystals

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2730315C1 (en)
WO (1) WO2021040580A2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2779016C2 (en) * 2020-10-20 2022-08-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method for production of crystal material film based on complex halogenides with perovskite-like structure

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2097452C1 (en) * 1996-02-22 1997-11-27 Юрий Александрович Водаков Method for epitaxial growth of monocrystals of metals nitrides of 3a group of chemical elements
FR2796657B1 (en) * 1999-07-20 2001-10-26 Thomson Csf PROCESS FOR THE SYNTHESIS OF SOLID MONOCRYSTALLINE MATERIALS IN NITRIDES OF ELEMENTS OF COLUMN III OF THE TABLE OF THE PERIODIC CLASSIFICATION
RU2296189C2 (en) * 2001-06-06 2007-03-27 АММОНО Сп.з о.о. Method and apparatus for producing three-dimensional monocrystalline gallium-containing nitride (variants)
RU2616929C1 (en) * 2015-12-15 2017-04-18 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" Method for obtaining sulfobromides of avbvicvii type

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017066160A1 (en) * 2015-10-11 2017-04-20 Northwestern University Phase-pure, two-dimensional, multilayered perovskites for optoelectronic applications
EP3199664A1 (en) * 2016-01-29 2017-08-02 IMEC vzw Multi-solvent perovskite composition
US11078413B2 (en) * 2016-08-04 2021-08-03 Florida State University Research Foundation, Inc. Organic-inorganic hybrid perovskites, devices, and methods

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2097452C1 (en) * 1996-02-22 1997-11-27 Юрий Александрович Водаков Method for epitaxial growth of monocrystals of metals nitrides of 3a group of chemical elements
FR2796657B1 (en) * 1999-07-20 2001-10-26 Thomson Csf PROCESS FOR THE SYNTHESIS OF SOLID MONOCRYSTALLINE MATERIALS IN NITRIDES OF ELEMENTS OF COLUMN III OF THE TABLE OF THE PERIODIC CLASSIFICATION
RU2296189C2 (en) * 2001-06-06 2007-03-27 АММОНО Сп.з о.о. Method and apparatus for producing three-dimensional monocrystalline gallium-containing nitride (variants)
RU2616929C1 (en) * 2015-12-15 2017-04-18 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" Method for obtaining sulfobromides of avbvicvii type

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2779016C2 (en) * 2020-10-20 2022-08-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method for production of crystal material film based on complex halogenides with perovskite-like structure

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021040580A2 (en) 2021-03-04
WO2021040580A3 (en) 2021-05-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108383162B (en) Method for producing garnet-type oxide solid electrolyte
TWI439414B (en) Method for producing hexafluorophosphate
RU2730315C1 (en) Method of producing organic-inorganic complex halogenide monocrystals
Kondo et al. Separation and concentration of indium (III) by an emulsion liquid membrane containing diisostearylphosphoric acid as a mobile carrier
Shedam et al. Effect of temperature on nucleation and growth of cadmium oxalate single crystals in silica gels
Torgesen et al. Growth of oxalic acid single crystals from solution: solvent effects on crystal habit
WO2006029493A1 (en) Process of production of ammonium niobium oxalate, ammonium niobium oxalate and use of the same
CN111005061B (en) Preparation method of perovskite single crystal
CN111730063B (en) Preparation method of lead nanowire
Sun et al. Nucleation kinetics, micro-crystallization and etching studies of l-histidine trifluoroacetate crystal
Avdeev et al. Synthesis of Ternary Intercalation Compounds in the Graphite–HNO3–R (R= H2SO4, H3PO4, CH3COOH) Systems
GB866715A (en) Process for separating and purifying elements forming insoluble or difficultly soluble oxalates
CN104726937B (en) Calcium formate single crystal optical material and preparation method thereof
JP7265851B2 (en) Silver carbonate manufacturing method
KR102624559B1 (en) Method for mass production of perovskite materials
Baumer et al. Influence of growth conditions on chemical composition and properties of borate crystals for laser application
CN109369447A (en) Improved method of preparation technology of 3- (2, 2, 2-trimethylhydrazinium) propionate dihydrate
JP2905321B2 (en) Lithium borate single crystal and method for producing the same
CN104674351B (en) A kind of formiate LiCa (COOH)3Monocrystalline optical material and preparation method thereof
Zemnukhova et al. Conditions for the synthesis of Sb (III) fluoride complexes
WO1993017157A1 (en) Hydrothermal process for growing optical-quality single crystals and aqueous mineralizer therefor
CN1042217C (en) Preparing fluozirconate glass by homogeneous coprecipitation method
RU2563869C1 (en) Iodic acid salts production method
SU1386571A1 (en) Method of producing pentafluorobismuthate (iii) of alkali metals
CN116178437A (en) Preparation method of lithium tetrafluorooxalate phosphate