اكتسب الباحثون في جامعة ماكجيل رؤى جديدة حول طريقة عمل البيروفسكايت ، أ أشباه الموصلات مادة واعدة بصناعة خلايا شمسية عالية الكفاءة ومنخفضة التكلفة ومجموعة من الأجهزة البصرية والإلكترونية الأخرى.
لفتت البيروفسكايت الانتباه خلال العقد الماضي بسبب قدرتها على العمل كأشباه موصلات حتى في حالة وجود عيوب في التركيب البلوري للمادة. هذا يجعل البيروفسكايت مميزًا لأن الحصول على معظم أشباه الموصلات الأخرى للعمل بشكل جيد يتطلب تقنيات تصنيع صارمة ومكلفة لإنتاج بلورات خالية من العيوب قدر الإمكان. في ما يرقى إلى اكتشاف حالة جديدة للمادة ، اتخذ فريق McGill خطوة إلى الأمام في حل لغز كيفية نجاح البيروفسكايت في تنفيذ هذه الحيلة.
"من الناحية التاريخية، كان الناس يستخدمون أشباه الموصلات السائبة التي تعتبر بلورات مثالية. والآن، فجأة، بدأت هذه البلورة الناعمة غير الكاملة في العمل أشباه الموصلات "التطبيقات، من الخلايا الكهروضوئية إلى مصابيح LED"، يوضح المؤلف الكبير باتانجالي كامبهامباتي، الأستاذ المشارك في قسم الكيمياء في جامعة ماكجيل. "هذه هي نقطة البداية لبحثنا: كيف يمكن لشيء به عيب أن يعمل بطريقة مثالية؟"
النقاط الكمومية ، ولكن ليس كما نعرفها
كشف الباحثون أن ظاهرة تُعرف باسم الحبس الكمومي تحدث داخل كتلة بلورات البيروفسكايت. حتى الآن ، لم يُلاحظ الحبس الكمومي إلا في جسيمات يبلغ حجمها بضعة نانومترات فقط ، وكانت النقاط الكمومية لشهرة التلفزيون المسطح أحد الأمثلة التي يتم التبجح بها. عندما تكون الجسيمات صغيرة إلى هذا الحد ، فإن أبعادها الفيزيائية تقيد حركة الإلكترونات بطريقة تعطي الجسيمات خصائص مختلفة تمامًا عن القطع الأكبر من نفس المادة - وهي خصائص يمكن ضبطها لإنتاج تأثيرات مفيدة مثل انبعاث الضوء في ألوان دقيقة.
باستخدام تقنية تُعرف باسم التحليل الطيفي للمضخة / المسبار ، أظهر الباحثون أن نوعًا مشابهًا من الحبس يحدث في بلورات بيروفسكايت بروميد الرصاص السيزيوم. بعبارة أخرى ، كشفت تجاربهم النقاب عن سلوك شبيه بالنقاط الكمومية يحدث في قطع من البيروفسكايت أكبر بكثير من النقاط الكمومية.
النتيجة المفاجئة تؤدي إلى اكتشاف غير متوقع
يعتمد العمل على الأبحاث السابقة التي أثبتت أن البيروفسكايت يبدو أنه مادة صلبة للعين المجردة ، إلا أنه يتمتع بخصائص معينة ترتبط بشكل شائع بالسوائل. في قلب هذه الازدواجية السائلة والصلبة توجد شبكة ذرية قادرة على التشويه استجابة لوجود الإلكترونات الحرة. يقارن كامبهاماتي بالترامبولين الذي يمتص تأثير الصخور التي ألقيت في وسطها. تمامًا كما سيؤدي الترامبولين في النهاية إلى توقف الصخر عن العمل ، يُفهم أن تشويه الشبكة البلورية البيروفسكايتية - وهي ظاهرة تُعرف باسم تشكيل بولارون - لها تأثير مثبت على الإلكترون.
في حين أن تشبيه الترامبولين قد يشير إلى تبديد تدريجي للطاقة بما يتفق مع انتقال النظام من حالة الإثارة إلى حالة أكثر استقرارًا ، فإن بيانات التحليل الطيفي للمضخة / المسبار كشفت في الواقع عكس ذلك. ولدهشة الباحثين ، أظهرت قياساتهم زيادة إجمالية في الطاقة في أعقاب تشكل البولارون.
يقول كامبهباتي: "تُظهر حقيقة أن الطاقة مرتفعة تأثيرًا ميكانيكيًا كميًا جديدًا ، حصرًا كميًا مثل نقطة كمومية" ، موضحًا أنه على مقياس حجم الإلكترونات ، فإن الصخور في الترامبولين هي إكسيتون ، الاقتران المرتبط بـ الإلكترون بالمساحة التي يتركها خلفه عندما يكون في حالة من الإثارة.
"ما يفعله بولارون هو حصر كل شيء في منطقة مكانية محددة جيدًا. من الأشياء التي استطاعت مجموعتنا أن تبين لنا أن بولارون يمتزج مع إكسيتون لتشكيل ما يشبه كمية نقطة. بمعنى ما ، إنه يشبه نقطة الكم السائلة ، وهو ما نسميه قطرة الكم. نأمل أن يؤدي استكشاف سلوك هذه القطرات الكمية إلى فهم أفضل لكيفية هندسة المواد الإلكترونية الضوئية التي تتحمل العيوب ".