Forscher der McGill University haben neue Einblicke in die Funktionsweise von Perowskiten gewonnen, a Halbleiter Material, das vielversprechend für die Herstellung hocheffizienter, kostengünstiger Solarzellen und einer Reihe anderer optischer und elektronischer Geräte ist.
Perowskite haben in den letzten zehn Jahren die Aufmerksamkeit auf sich gezogen, weil sie als Halbleiter fungieren können, selbst wenn die Kristallstruktur des Materials defekt ist. Dies macht Perowskite zu etwas Besonderem, da für die Funktion der meisten anderen Halbleiter strenge und kostspielige Herstellungstechniken erforderlich sind, um möglichst fehlerfreie Kristalle herzustellen. In Bezug auf die Entdeckung eines neuen Materiezustands hat das McGill-Team einen Schritt nach vorne gemacht, um das Rätsel zu lösen, wie Perowskiten diesen Trick durchziehen.
„In der Vergangenheit wurden Massenhalbleiter verwendet, bei denen es sich um perfekte Kristalle handelte. Und plötzlich beginnt dieser unvollkommene, weiche Kristall zu arbeiten Halbleiter Anwendungen, von der Photovoltaik bis zu LEDs“, erklärt der leitende Autor Patanjali Kambhampati, außerordentlicher Professor am Department of Chemistry der McGill. „Das ist der Ausgangspunkt unserer Forschung: Wie kann etwas, das defekt ist, perfekt funktionieren?“
Quantenpunkte, aber nicht so, wie wir sie kennen
Die Forscher zeigen, dass ein Phänomen, das als Quantenbeschränkung bekannt ist, in Bulk-Perowskitkristallen auftritt. Bisher wurde Quantenbeschränkung nur bei Teilchen mit einer Größe von wenigen Nanometern beobachtet - die Quantenpunkte des Flachbildfernseh-Ruhms waren ein viel gepriesenes Beispiel. Wenn Teilchen so klein sind, schränken ihre physikalischen Abmessungen die Bewegung von Elektronen so ein, dass sich die Teilchen deutlich von größeren Stücken desselben Materials unterscheiden - Eigenschaften, die feinabgestimmt werden können, um nützliche Effekte wie die Emission von Licht zu erzeugen präzise Farben.
Unter Verwendung einer Technik, die als zustandsaufgelöste Pump / Sonden-Spektroskopie bekannt ist, haben die Forscher gezeigt, dass eine ähnliche Art des Einschlusses in Cäsium-Blei-Bromid-Perowskit-Kristallen auftritt. Mit anderen Worten, ihre Experimente haben ein quantenpunktartiges Verhalten aufgedeckt, das in Perowskitstücken stattfindet, die signifikant größer als Quantenpunkte sind.
Das überraschende Ergebnis führt zu einer unerwarteten Entdeckung
Die Arbeit baut auf früheren Forschungen auf, bei denen festgestellt wurde, dass Perowskite für das bloße Auge zwar eine feste Substanz zu sein scheinen, jedoch bestimmte Eigenschaften aufweisen, die häufiger mit Flüssigkeiten in Verbindung gebracht werden. Das Herzstück dieser flüssig-festen Dualität ist ein Atomgitter, das sich in Reaktion auf das Vorhandensein freier Elektronen verzerren kann. Kambhampati zieht einen Vergleich mit einem Trampolin, das den Aufprall eines in seine Mitte geworfenen Felsens absorbiert. So wie das Trampolin das Gestein schließlich zum Stillstand bringen wird, soll die Verzerrung des Perowskit-Kristallgitters - ein Phänomen, das als Polaronbildung bekannt ist - eine stabilisierende Wirkung auf das Elektron haben.
Während die Trampolin-Analogie eine allmähliche Energiedissipation nahe legt, die mit einem System übereinstimmt, das von einem angeregten Zustand zurück in einen stabileren Zustand wechselt, zeigten die Pump / Sonden-Spektroskopiedaten tatsächlich das Gegenteil. Zur Überraschung der Forscher zeigten ihre Messungen einen Anstieg der Energie nach der Polaronenbildung.
"Die Tatsache, dass die Energie erhöht wurde, zeigt einen neuen quantenmechanischen Effekt, eine Quantenbeschränkung wie ein Quantenpunkt", erklärt Kambhampati, dass das Gestein im Trampolin auf der Größenskala der Elektronen ein Exziton ist, die gebundene Paarung eines Elektron mit dem Raum, den es zurücklässt, wenn es sich in einem angeregten Zustand befindet.
„Der Polaron beschränkt alles auf einen räumlich genau definierten Bereich. Eines der Dinge, die unsere Gruppe uns zeigen konnte, ist, dass sich das Polaron mit einem Exziton vermischt, um etwas zu bilden, das wie ein aussieht Quanten- Punkt. In gewissem Sinne ist es wie ein flüssiger Quantenpunkt, den wir als Quantentropfen bezeichnen. Wir hoffen, dass die Untersuchung des Verhaltens dieser Quantentropfen zu einem besseren Verständnis der Konstruktion fehlertoleranter optoelektronischer Materialien führen wird. “