McGill Üniversitesi'ndeki araştırmacılar perovskitlerin çalışmalarına yeni bir bakış açısı kazandırdı. Yarıiletken yüksek verimli, düşük maliyetli güneş pilleri ve bir dizi diğer optik ve elektronik cihazların yapımı için büyük umut vaat eden malzeme.
Perovskitler, malzemenin kristal yapısında kusurlar olsa bile yarı iletken gibi davranabilme yetenekleri nedeniyle son on yılda dikkat çekti. Bu, perovskitleri özel kılar çünkü diğer yarı iletkenlerin çoğunun iyi çalışmasını sağlamak, mümkün olduğu kadar hatasız kristaller üretmek için sıkı ve maliyetli üretim teknikleri gerektirir. McGill ekibi, maddenin yeni bir durumunun keşfine eşdeğer bir adım atarak perovskitlerin bu numarayı nasıl başardığına dair gizemi çözme yolunda bir adım attı.
"Tarihsel olarak insanlar mükemmel kristaller olan toplu yarı iletkenler kullanıyorlardı. Ve şimdi birdenbire bu kusurlu, yumuşak kristal çalışmaya başlıyor. yarıiletken Fotovoltaiklerden LED'lere kadar birçok uygulama var," diye açıklıyor McGill Kimya Bölümü'nde doçent olan kıdemli yazar Patanjali Kambhampati. "Araştırmamızın başlangıç noktası bu: Kusurlu bir şey nasıl mükemmel bir şekilde çalışabilir?"
Kuantum noktaları ama bildiğimiz şekliyle değil
Araştırmacılar, toplu perovskit kristallerinde kuantum hapsi olarak bilinen bir olgunun meydana geldiğini ortaya koyuyor. Şimdiye kadar kuantum hapsi yalnızca birkaç nanometre büyüklüğündeki parçacıklarda gözlemlenmişti; düz ekran TV şöhretinin kuantum noktaları çok övülen bir örnekti. Parçacıklar bu kadar küçük olduğunda, fiziksel boyutları elektronların hareketini, parçacıklara aynı malzemenin daha büyük parçalarından belirgin şekilde farklı özellikler verecek şekilde kısıtlar; bu özellikler, ışığın yayılması gibi yararlı etkiler üretmek için ince ayar yapılabilir. hassas renkler.
Durum çözümlemeli pompa/prob spektroskopisi olarak bilinen bir teknik kullanan araştırmacılar, toplu sezyum kurşun bromür perovskit kristallerinde benzer türde bir hapsedilme meydana geldiğini gösterdi. Başka bir deyişle, deneyleri, kuantum noktalarından önemli ölçüde daha büyük perovskit parçalarında meydana gelen kuantum noktası benzeri davranışları ortaya çıkardı.
Şaşırtıcı sonuç beklenmedik bir keşfe yol açıyor
Çalışma, perovskitlerin çıplak gözle katı bir madde gibi görünse de, daha çok sıvılarla ilişkilendirilen belirli özelliklere sahip olduğunu ortaya koyan daha önceki araştırmalara dayanıyor. Bu sıvı-katı ikiliğinin kalbinde, serbest elektronların varlığına tepki olarak bozulabilen atomik bir kafes vardır. Kambhampati, ortasına atılan bir kayanın etkisini emen bir tramboline benzetiyor. Tıpkı trambolinin sonunda kayayı durma noktasına getirmesi gibi, perovskit kristal kafesinin bozulmasının da (polaron oluşumu olarak bilinen bir olgu) elektron üzerinde dengeleyici bir etkiye sahip olduğu anlaşılmaktadır.
Trambolin analojisi, uyarılmış bir durumdan daha kararlı bir duruma dönen bir sistemle tutarlı olarak enerjinin kademeli olarak dağıldığını öne sürerken, pompa/prob spektroskopisi verileri aslında bunun tersini ortaya çıkardı. Araştırmacıları şaşırtacak şekilde, ölçümleri polaron oluşumunun ardından enerjide genel bir artış olduğunu gösterdi.
Kambhampati, "Enerjinin artması, yeni bir kuantum mekaniksel etkiyi, kuantum noktası gibi kuantum hapsedilmesini gösteriyor" diyor ve elektronların boyut ölçeğinde trambolindeki kayanın bir eksiton, bir bağın bağlı eşleşmesi olduğunu açıklıyor. Elektron, uyarılmış haldeyken arkasında bıraktığı boşlukla birlikte hareket eder.
"Polaronun yaptığı şey, her şeyi mekansal olarak iyi tanımlanmış bir alana sınırlamaktır. Grubumuzun bize gösterebildiği şeylerden biri, polaronun bir eksitonla karışarak bir şeye benzeyen bir şey oluşturduğuydu. kuantum nokta. Bir bakıma sıvı kuantum noktası gibidir, buna kuantum düşüşü dediğimiz şeydir. Bu kuantum damlacıklarının davranışını keşfetmenin, kusurlara dayanıklı optoelektronik malzemelerin nasıl tasarlanacağına dair daha iyi bir anlayışa yol açacağını umuyoruz."