Các nhà nghiên cứu tại Đại học McGill đã có được cái nhìn sâu sắc mới về hoạt động của perovskites, Semiconductor vật liệu cho thấy nhiều hứa hẹn trong việc chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao, chi phí thấp và một loạt các thiết bị quang học và điện tử khác.
Perovskites đã thu hút sự chú ý trong thập kỷ qua vì khả năng hoạt động như chất bán dẫn ngay cả khi có khiếm khuyết trong cấu trúc tinh thể của vật liệu. Điều này làm cho perovskites trở nên đặc biệt vì để hầu hết các chất bán dẫn khác hoạt động tốt đòi hỏi các kỹ thuật sản xuất nghiêm ngặt và tốn kém để tạo ra các tinh thể càng ít khuyết tật càng tốt. Tương đương với việc phát hiện ra một trạng thái vật chất mới, nhóm McGill đã đạt được một bước tiến trong việc mở khóa bí ẩn về cách thức perovskites thực hiện thủ thuật này.
“Trong lịch sử, người ta đã sử dụng các chất bán dẫn số lượng lớn là những tinh thể hoàn hảo. Và bây giờ, đột nhiên, tinh thể mềm mại, không hoàn hảo này bắt đầu có tác dụng bán dẫn các ứng dụng, từ quang điện đến đèn LED,” tác giả cấp cao Patanjali Kambhampati, phó giáo sư tại Khoa Hóa học tại McGill giải thích. “Đó là điểm khởi đầu cho nghiên cứu của chúng tôi: Làm thế nào một thứ bị lỗi có thể hoạt động một cách hoàn hảo?”
Chấm lượng tử, nhưng không phải như chúng ta biết
Các nhà nghiên cứu tiết lộ rằng một hiện tượng được gọi là giam giữ lượng tử xảy ra trong các tinh thể perovskite số lượng lớn. Cho đến nay, giới hạn lượng tử chỉ được quan sát thấy trong các hạt có kích thước vài nanomet — các chấm lượng tử của TV màn hình phẳng nổi tiếng là một ví dụ được ca ngợi nhiều. Khi các hạt có kích thước nhỏ như vậy, kích thước vật lý của chúng hạn chế chuyển động của các electron theo cách tạo cho các hạt các đặc tính khác biệt rõ ràng với các mảnh lớn hơn của cùng một vật liệu — các đặc tính có thể được tinh chỉnh để tạo ra các hiệu ứng hữu ích như sự phát ra ánh sáng màu sắc chính xác.
Sử dụng một kỹ thuật được gọi là quang phổ bơm / thăm dò phân giải trạng thái, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra một kiểu giam giữ tương tự xảy ra trong các tinh thể perovskite perovskite chì cesium. Nói cách khác, các thí nghiệm của họ đã khám phá ra hành vi giống như chấm lượng tử diễn ra trong các mảnh perovskite lớn hơn đáng kể so với các chấm lượng tử.
Kết quả đáng ngạc nhiên dẫn đến một khám phá bất ngờ
Công trình được xây dựng dựa trên nghiên cứu trước đó đã xác định rằng perovskites tuy có vẻ là một chất rắn đối với mắt thường, nhưng lại có những đặc điểm nhất định thường liên quan đến chất lỏng. Trung tâm của tính hai chất lỏng-rắn này là một mạng tinh thể nguyên tử có thể biến dạng khi phản ứng với sự có mặt của các điện tử tự do. Kambhampati so sánh với một tấm bạt lò xo hấp thụ tác động của một tảng đá ném vào tâm của nó. Cũng giống như tấm bạt lò xo cuối cùng sẽ đưa đá đến bế tắc, sự biến dạng của mạng tinh thể perovskite - một hiện tượng được gọi là sự hình thành polaron - được hiểu là có tác động ổn định đối với điện tử.
Trong khi phép tương tự tấm bạt lò xo sẽ gợi ý sự tiêu tán năng lượng dần dần phù hợp với một hệ thống chuyển từ trạng thái kích thích trở lại trạng thái ổn định hơn, dữ liệu quang phổ máy bơm / đầu dò trên thực tế lại tiết lộ điều ngược lại. Trước sự ngạc nhiên của các nhà nghiên cứu, các phép đo của họ cho thấy sự gia tăng tổng thể về năng lượng sau quá trình hình thành polaron.
Kambhampati nói: “Thực tế là năng lượng được nâng lên cho thấy một hiệu ứng cơ lượng tử mới, giới hạn lượng tử giống như một chấm lượng tử,” Kambhampati nói và giải thích rằng, ở quy mô kích thước của các electron, đá trong tấm bạt lò xo là một exciton, sự kết đôi liên kết của một electron bằng khoảng không gian mà nó để lại khi nó ở trạng thái kích thích.
“Những gì polaron làm là giới hạn mọi thứ trong một khu vực được xác định rõ ràng về mặt không gian. Một trong những điều mà nhóm của chúng tôi có thể cho chúng tôi thấy rằng polaron kết hợp với exciton để tạo thành lượng tử dấu chấm. Theo một nghĩa nào đó, nó giống như một chấm lượng tử lỏng, cái mà chúng ta gọi là giọt lượng tử. Chúng tôi hy vọng rằng việc khám phá hành vi của những giọt lượng tử này sẽ giúp hiểu rõ hơn về cách thiết kế các vật liệu quang điện tử có khả năng chịu khiếm khuyết. ”