นักวิจัยจาก McGill University ได้รับข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับการทำงานของ perovskites, a สารกึ่งตัวนำ วัสดุที่แสดงให้เห็นถึงคำมั่นสัญญาที่ดีในการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ประสิทธิภาพสูงราคาประหยัดและอุปกรณ์ออปติกและอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ อีกมากมาย
Perovskites ได้รับความสนใจในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาเนื่องจากความสามารถในการทำหน้าที่เป็นเซมิคอนดักเตอร์แม้ว่าจะมีข้อบกพร่องในโครงสร้างผลึกของวัสดุก็ตาม สิ่งนี้ทำให้ perovskites มีความพิเศษเนื่องจากการทำให้เซมิคอนดักเตอร์อื่น ๆ ส่วนใหญ่ทำงานได้ดีต้องใช้เทคนิคการผลิตที่เข้มงวดและมีค่าใช้จ่ายสูงเพื่อผลิตคริสตัลที่ปราศจากข้อบกพร่องให้มากที่สุด ทีม McGill ได้ก้าวไปข้างหน้าในการไขปริศนาว่า perovskites ดึงเคล็ดลับนี้ออกมาได้อย่างไร
“ในอดีต ผู้คนใช้เซมิคอนดักเตอร์จำนวนมากซึ่งเป็นคริสตัลที่สมบูรณ์แบบ และทันใดนั้น คริสตัลที่อ่อนนุ่มและไม่สมบูรณ์นี้ก็เริ่มทำงาน สารกึ่งตัวนำ ตั้งแต่แผงเซลล์แสงอาทิตย์ไปจนถึง LED” ผู้เขียนอาวุโส Patanjali Kambhampati รองศาสตราจารย์ภาควิชาเคมีที่ McGill อธิบาย “นั่นคือจุดเริ่มต้นสำหรับการวิจัยของเรา: สิ่งที่มีข้อบกพร่องจะทำงานอย่างสมบูรณ์แบบได้อย่างไร”
จุดควอนตัม แต่ไม่ใช่อย่างที่เรารู้จัก
นักวิจัยเปิดเผยว่าปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการกักขังควอนตัมเกิดขึ้นภายในผลึกเพอรอฟสกีจำนวนมาก จนถึงขณะนี้การกักขังควอนตัมได้รับการสังเกตในอนุภาคที่มีขนาดไม่กี่นาโนเมตรเท่านั้นจุดควอนตัมของชื่อเสียงทีวีจอแบนเป็นตัวอย่างที่น่ายกย่องมาก เมื่ออนุภาคมีขนาดเล็กขนาดทางกายภาพของพวกมันจะ จำกัด การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในลักษณะที่ทำให้อนุภาคมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันอย่างชัดเจนจากชิ้นส่วนขนาดใหญ่ของวัสดุชนิดเดียวกันคุณสมบัติที่สามารถปรับแต่งเพื่อให้เกิดเอฟเฟกต์ที่เป็นประโยชน์เช่นการปล่อยแสงใน สีที่แม่นยำ
การใช้เทคนิคที่เรียกว่าสเปกโทรสโกปีของปั๊ม / โพรบที่ได้รับการแก้ไขโดยรัฐนักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าการกักขังประเภทเดียวกันนี้เกิดขึ้นในผลึกเปอร์อฟสไคต์ของโบรไมด์ตะกั่วซีเซียมจำนวนมาก กล่าวอีกนัยหนึ่งการทดลองของพวกเขาได้ค้นพบพฤติกรรมคล้ายจุดควอนตัมที่เกิดขึ้นในชิ้นส่วนของ perovskite ที่มีขนาดใหญ่กว่าจุดควอนตัมอย่างมีนัยสำคัญ
ผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจนำไปสู่การค้นพบที่ไม่คาดคิด
งานนี้สร้างขึ้นจากการวิจัยก่อนหน้านี้ซึ่งระบุว่า perovskites ในขณะที่ดูเหมือนจะเป็นสารทึบด้วยตาเปล่ามีลักษณะเฉพาะบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับของเหลวมากขึ้น หัวใจของความเป็นคู่ของของเหลวและของแข็งนี้คือโครงตาข่ายอะตอมที่สามารถบิดเบือนเพื่อตอบสนองต่อการมีอิเล็กตรอนอิสระ Kambhampati เปรียบเทียบกับแทรมโพลีนที่ดูดซับแรงกระแทกของก้อนหินที่โยนเข้ามาตรงกลาง เช่นเดียวกับในที่สุดแทรมโพลีนจะทำให้หินหยุดนิ่งการบิดเบี้ยวของโครงตาข่ายคริสตัลเพอรอฟสกีซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการก่อตัวของโพลารอนเป็นที่เข้าใจกันว่ามีผลต่อการคงตัวของอิเล็กตรอน
ในขณะที่การเปรียบเทียบแทรมโพลีนจะแนะนำให้มีการกระจายพลังงานอย่างค่อยเป็นค่อยไปสอดคล้องกับระบบที่ย้ายจากสถานะที่ตื่นเต้นกลับไปเป็นระบบที่เสถียรกว่าในความเป็นจริงข้อมูลสเปกโทรสโกปีของปั๊ม / โพรบเผยให้เห็นในทางตรงกันข้าม สร้างความประหลาดใจให้กับนักวิจัยการวัดของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าพลังงานโดยรวมเพิ่มขึ้นจากผลพวงของการสร้างโพลารอน
“ ความจริงที่ว่าพลังงานที่เพิ่มขึ้นแสดงให้เห็นถึงผลเชิงกลเชิงควอนตัมแบบใหม่การกักขังควอนตัมเหมือนจุดควอนตัม” Kambhampati กล่าวอธิบายว่าในระดับขนาดของอิเล็กตรอนหินในแทรมโพลีนเป็นแอคซิตัน อิเล็กตรอนที่มีช่องว่างจะทิ้งไว้ข้างหลังเมื่ออยู่ในสถานะตื่นเต้น
“ สิ่งที่โพลารอนทำคือ จำกัด ทุกอย่างให้อยู่ในพื้นที่ที่กำหนดไว้อย่างดี สิ่งหนึ่งที่กลุ่มของเราสามารถแสดงให้เราเห็นว่าโพลารอนผสมกับ exciton เพื่อสร้างสิ่งที่ดูเหมือนก ควอนตัม จุด ในแง่หนึ่งก็เหมือนกับจุดควอนตัมเหลวซึ่งเป็นสิ่งที่เราเรียกว่าการลดลงของควอนตัม เราหวังว่าการสำรวจพฤติกรรมของหยดควอนตัมเหล่านี้จะทำให้เกิดความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับวิธีการออกแบบวัสดุออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ทนต่อข้อบกพร่องได้ดีขึ้น”