Исследователи из Университета Макгилла получили новое представление о работе перовскитов, Полупроводниковое материал, который показывает большие перспективы для создания высокоэффективных недорогих солнечных элементов и ряда других оптических и электронных устройств.
Перовскиты привлекают внимание в последнее десятилетие из-за их способности действовать как полупроводники даже при наличии дефектов в кристаллической структуре материала. Это делает перовскиты особенными, потому что для нормальной работы большинства других полупроводников требуются строгие и дорогостоящие технологии производства, позволяющие производить кристаллы, которые по возможности бездефектны. Команда Макгилла сделала шаг вперед в раскрытии тайны того, как перовскиты справляются с этой уловкой, открывая новое состояние материи.
«Исторически люди использовали объемные полупроводники, которые представляли собой идеальные кристаллы. И вот вдруг этот несовершенный мягкий кристалл начинает работать на полупроводник приложения, от фотогальваники до светодиодов», — объясняет старший автор Патанджали Камбхампати, доцент кафедры химии в Макгилле. «Это отправная точка для нашего исследования: как может что-то неисправное работать идеально?»
Квантовые точки, но не такие, какими мы их знаем
Исследователи обнаружили, что в объемных кристаллах перовскита происходит явление, известное как квантовое ограничение. До сих пор квантовое ограничение наблюдалось только в частицах размером в несколько нанометров - одним из хваленых примеров были квантовые точки из славы плоских телевизоров. Когда частицы настолько малы, их физические размеры ограничивают движение электронов таким образом, что придает частицам свойства, явно отличающиеся от свойств более крупных кусков того же материала, - свойства, которые можно точно настроить для получения полезных эффектов, таких как излучение света в окружающей среде. точные цвета.
Используя метод, известный как спектроскопия накачки / зонда с разрешением по состоянию, исследователи показали, что аналогичный тип ограничения имеет место в объемных кристаллах перовскита бромида цезия и свинца. Другими словами, их эксперименты выявили поведение, подобное квантовым точкам, которое имеет место в кусках перовскита, значительно больших, чем квантовые точки.
Удивительный результат приводит к неожиданному открытию
Работа основана на более ранних исследованиях, которые установили, что перовскиты, кажущиеся невооруженным глазом твердым веществом, обладают определенными характеристиками, которые чаще ассоциируются с жидкостями. В основе этой двойственности жидкость-твердое тело лежит атомная решетка, способная искажаться в ответ на присутствие свободных электронов. Камбхампати проводит сравнение с батутом, поглощающим удар камня, брошенного в его центр. Точно так же, как батут в конечном итоге остановит камень, считается, что искажение кристаллической решетки перовскита - явление, известное как образование поляронов - оказывает стабилизирующее влияние на электрон.
В то время как аналогия с батутом предполагает постепенное рассеивание энергии, соответствующее переходу системы из возбужденного состояния обратно в более стабильное, данные спектроскопии насоса / зонда фактически показали обратное. К удивлению исследователей, их измерения показали общее увеличение энергии после образования полярона.
«Тот факт, что энергия была увеличена, показывает новый квантово-механический эффект, квантовое ограничение, подобное квантовой точке», - говорит Камбхампати, объясняя, что в масштабах размеров электронов камень в батуте представляет собой экситон, связанное спаривание электрон с пространством, которое он оставляет, когда он находится в возбужденном состоянии.
«Что делает полярон, так это ограничивает все пространственно четко определенной областью. Одна из вещей, которые наша группа смогла показать нам, что полярон смешивается с экситоном, образуя нечто похожее на квантовый точка. В некотором смысле это похоже на жидкую квантовую точку, которую мы называем квантовой каплей. Мы надеемся, что изучение поведения этих квантовых капель приведет к лучшему пониманию того, как создавать устойчивые к дефектам оптоэлектронные материалы ».