Onderzoekers van McGill University hebben nieuw inzicht gekregen in de werking van perovskieten, zoals Halfgeleider materiaal dat veelbelovend is voor het maken van zeer efficiënte, goedkope zonnecellen en een reeks andere optische en elektronische apparaten.
Perovskieten hebben de afgelopen tien jaar de aandacht getrokken vanwege hun vermogen om als halfgeleiders te fungeren, zelfs als er defecten zijn in de kristalstructuur van het materiaal. Dit maakt perovskieten speciaal omdat om de meeste andere halfgeleiders goed te laten werken, er strenge en dure fabricagetechnieken nodig zijn om kristallen te produceren die zo defectvrij mogelijk zijn. In wat neerkomt op de ontdekking van een nieuwe staat van materie, heeft het McGill-team een stap voorwaarts gemaakt in het ontrafelen van het mysterie van hoe perovskieten deze truc uithalen.
“Historisch gezien hebben mensen bulkhalfgeleiders gebruikt die perfecte kristallen zijn. En nu begint dit onvolmaakte, zachte kristal plotseling te werken halfgeleider toepassingen, van fotovoltaïsche zonne-energie tot LED's”, legt senior auteur Patanjali Kambhampati uit, universitair hoofddocent bij de afdeling Scheikunde van McGill. “Dat is het uitgangspunt voor ons onderzoek: hoe kan iets dat defect is, op een perfecte manier werken?”
Quantum dots, maar niet zoals we ze kennen
De onderzoekers onthullen dat een fenomeen dat bekend staat als kwantumopsluiting optreedt in bulkperovskietkristallen. Tot nu toe was kwantumopsluiting alleen waargenomen in deeltjes van enkele nanometers groot - de kwantumstippen van de bekendheid van flatscreen-tv's zijn een veel geroemd voorbeeld. Als deeltjes zo klein zijn, beperken hun fysieke afmetingen de beweging van elektronen op een manier die de deeltjes duidelijk andere eigenschappen geeft dan grotere stukken van hetzelfde materiaal - eigenschappen die nauwkeurig kunnen worden afgesteld om nuttige effecten te produceren, zoals de emissie van licht in precieze kleuren.
Met behulp van een techniek die bekend staat als state-resolved pump/probe spectroscopie, hebben de onderzoekers aangetoond dat een soortgelijk type opsluiting optreedt in bulk cesium-loodbromide-perovskietkristallen. Met andere woorden, hun experimenten hebben kwantumpuntachtig gedrag blootgelegd dat plaatsvindt in stukken perovskiet die aanzienlijk groter zijn dan kwantumstippen.
Het verrassende resultaat leidt tot een onverwachte ontdekking
Het werk bouwt voort op eerder onderzoek waaruit bleek dat perovskieten, hoewel ze met het blote oog een vaste stof lijken, bepaalde kenmerken hebben die vaker worden geassocieerd met vloeistoffen. De kern van deze vloeistof-vaste stof dualiteit is een atoomrooster dat kan vervormen als reactie op de aanwezigheid van vrije elektronen. Kambhampati maakt een vergelijking met een trampoline die de impact opvangt van een steen die in het midden wordt gegooid. Net zoals de trampoline de rots uiteindelijk tot stilstand zal brengen, wordt aangenomen dat de vervorming van het perovskiet-kristalrooster - een fenomeen dat bekend staat als polaronvorming - een stabiliserend effect heeft op het elektron.
Terwijl de trampoline-analogie een geleidelijke dissipatie van energie zou suggereren die consistent is met een systeem dat van een aangeslagen toestand teruggaat naar een stabielere toestand, onthulden de pomp/sonde-spectroscopiegegevens in feite het tegenovergestelde. Tot verbazing van de onderzoekers toonden hun metingen een algemene toename van de energie in de nasleep van de vorming van polaronen.
"Het feit dat de energie werd opgewekt, toont een nieuw kwantummechanisch effect, kwantumopsluiting als een kwantumpunt", zegt Kambhampati, en legt uit dat, op de grootteschaal van elektronen, de rots in de trampoline een exciton is, de gebonden koppeling van een elektron met de ruimte die het achterlaat wanneer het zich in een aangeslagen toestand bevindt.
“Wat de polaron doet, is alles opsluiten in een ruimtelijk goed gedefinieerd gebied. Een van de dingen die onze groep ons kon laten zien dat de polaron zich vermengt met een exciton om te vormen wat lijkt op een quantum punt. In zekere zin is het als een vloeibare kwantumstip, wat we een kwantumdruppel noemen. We hopen dat het onderzoeken van het gedrag van deze kwantumdruppels zal leiden tot een beter begrip van hoe defecttolerante opto-elektronische materialen kunnen worden ontwikkeld."