Para peneliti di McGill University telah memperoleh wawasan baru tentang cara kerja perovskit, a Semikonduktor bahan yang sangat menjanjikan untuk membuat sel surya berefisiensi tinggi dan berbiaya rendah serta berbagai perangkat optik dan elektronik lainnya.
Perovskit telah menarik perhatian selama dekade terakhir karena kemampuannya untuk bertindak sebagai semikonduktor bahkan ketika ada kerusakan pada struktur kristal materialnya. Hal ini membuat perovskit istimewa karena membuat sebagian besar semikonduktor lain bekerja dengan baik memerlukan teknik manufaktur yang ketat dan mahal untuk menghasilkan kristal yang sebisa mungkin bebas cacat. Dalam jumlah yang sama dengan penemuan keadaan materi baru, tim McGill telah membuat langkah maju dalam membuka misteri bagaimana perovskit melakukan trik ini.
“Secara historis, orang telah menggunakan semikonduktor massal yang merupakan kristal sempurna. Dan sekarang, tiba-tiba, kristal lunak yang tidak sempurna ini mulai berfungsi semikonduktor aplikasinya, mulai dari fotovoltaik hingga LED,” jelas penulis senior Patanjali Kambhampati, seorang profesor di Departemen Kimia di McGill. “Itulah titik awal penelitian kami: Bagaimana sesuatu yang cacat dapat bekerja dengan sempurna?”
Titik kuantum, tapi tidak seperti yang kita kenal
Para peneliti mengungkapkan bahwa fenomena yang dikenal sebagai kurungan kuantum terjadi di dalam kristal perovskit massal. Hingga saat ini, kurungan kuantum hanya teramati pada partikel berukuran beberapa nanometer — titik kuantum ketenaran TV layar datar menjadi salah satu contoh yang paling dibanggakan. Ketika partikel sekecil ini, dimensi fisiknya membatasi pergerakan elektron sedemikian rupa sehingga memberikan sifat yang sangat berbeda pada partikel dari potongan yang lebih besar dari bahan yang sama — sifat yang dapat disetel dengan baik untuk menghasilkan efek yang berguna seperti emisi cahaya di warna yang tepat.
Menggunakan teknik yang dikenal sebagai spektroskopi pompa / probe yang diselesaikan keadaan, para peneliti telah menunjukkan jenis pengurungan yang serupa terjadi pada kristal perovskit cesium timbal bromida curah. Dengan kata lain, eksperimen mereka telah mengungkap perilaku mirip titik kuantum yang terjadi dalam potongan perovskit yang secara signifikan lebih besar dari titik kuantum.
Hasil yang mengejutkan mengarah pada penemuan yang tidak terduga
Karya ini didasarkan pada penelitian sebelumnya yang menetapkan bahwa perovskit, meskipun tampak sebagai zat padat bagi mata telanjang, memiliki karakteristik tertentu yang lebih sering dikaitkan dengan cairan. Inti dari dualitas cair-padat ini adalah kisi atom yang dapat terdistorsi sebagai respons terhadap keberadaan elektron bebas. Kambhampati membuat perbandingan dengan trampolin yang menyerap benturan batu yang terlempar ke tengahnya. Sama seperti trampolin pada akhirnya akan menghentikan batu, distorsi kisi kristal perovskit — fenomena yang dikenal sebagai pembentukan polaron — dipahami memiliki efek menstabilkan elektron.
Sementara analogi trampolin akan menyarankan disipasi energi bertahap yang konsisten dengan sistem yang bergerak dari keadaan tereksitasi kembali ke yang lebih stabil, data spektroskopi pompa/penyelidik sebenarnya mengungkapkan sebaliknya. Yang mengejutkan para peneliti, pengukuran mereka menunjukkan peningkatan energi secara keseluruhan setelah pembentukan polaron.
“Fakta bahwa energi dinaikkan menunjukkan efek mekanis kuantum baru, kurungan kuantum seperti titik kuantum,” kata Kambhampati, menjelaskan bahwa, pada skala ukuran elektron, batuan di trampolin adalah eksiton, pasangan terikat dari sebuah elektron dengan ruang yang ditinggalkannya ketika berada dalam keadaan tereksitasi.
“Apa yang dilakukan polaron adalah membatasi segala sesuatu ke dalam area yang terdefinisi dengan baik secara spasial. Salah satu hal yang dapat ditunjukkan oleh grup kami kepada kami bahwa polaron bercampur dengan semangat untuk membentuk apa yang tampak seperti a kuantum dot. Dalam arti tertentu, ini seperti titik kuantum cair, yang kami sebut penurunan kuantum. Kami berharap menjelajahi perilaku penurunan kuantum ini akan memunculkan pemahaman yang lebih baik tentang cara merekayasa bahan optoelektronik yang toleran terhadap cacat. ”