Разработка перовскитных материалов на атомном уровне прокладывает путь для новых лазеров и светодиодов
Перовскиты, которые определяются их кристаллической структурой, обладают желаемыми оптическими, электронными и квантовыми свойствами. LHP состоят из невероятно тонких листов перовскитного полупроводникового материала, которые отделены друг от друга тонкими органическими “разделительными” слоями. LHP могут быть нанесены в виде тонких пленок, состоящих из нескольких слоев перовскита и органических разделительных слоев. Эти материалы желательны, поскольку они могут эффективно преобразовывать электрический заряд в свет, что делает их перспективными для использования в светодиодах, лазерах следующего поколения и фотонных интегральных схемах.
Однако, хотя LHP представляли интерес для исследовательского сообщества в течение многих лет, было мало понимания того, как разработать эти материалы, чтобы контролировать их рабочие характеристики.
Чтобы понять, что обнаружили исследователи, нужно начать с квантовых ям, которые представляют собой листы полупроводникового материала, зажатые между разделительными слоями.
“Мы знали, что в LHP образуются квантовые ямы – это слои”, — говорит Арам Амассиан, автор статьи об этой работе и профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Северная Каролина.
И понимание распределения квантовых ям по размерам важно, поскольку энергия перетекает от высокоэнергетических структур к низкоэнергетическим структурам на молекулярном уровне.
“Квантовая яма толщиной в два атома обладает более высокой энергией, чем квантовая яма толщиной в пять атомов”, — говорит Кенан Гундогду, соавтор статьи и профессор физики в университете Северной Каролины. “И для того, чтобы обеспечить эффективное поступление энергии, необходимо иметь квантовые ямы толщиной в три-четыре атома между квантовыми ямами толщиной в два-пять атомов. По сути, требуется постепенный наклон, при котором энергия может каскадно падать.”
“Но люди, изучающие LHP, продолжали сталкиваться с аномалией: распределение по размерам квантовых ям в образце LHP, которое можно было обнаружить с помощью рентгеновской дифракции, будет отличаться от распределения по размерам квантовых ям, которые можно было обнаружить с помощью оптической спектроскопии”, — говорит Амассиан.
“Например, дифракция может показать вам, что ваши квантовые ямы имеют толщину в два атома, а также что это объемный трехмерный кристалл”, — говорит Амассиан. “Но спектроскопия может сказать вам, что у вас есть квантовые ямы толщиной в два, три и четыре атома, а также объемная трехмерная фаза.
“Итак, первый вопрос, который у нас возник, был: почему мы наблюдаем это фундаментальное несоответствие между рентгеновской дифракцией и оптической спектроскопией? И наш второй вопрос был: как мы можем контролировать размер и распределение квантовых ям в LHP?”
В ходе серии экспериментов исследователи обнаружили, что в ответе на оба вопроса участвует ключевой игрок: нанопластинки.
“Нанопластинки — это отдельные листы перовскитового материала, которые образуются на поверхности раствора, который мы используем для создания LHP”, — говорит Амассиан. “Мы обнаружили, что эти нанопластинки, по сути, служат шаблонами для слоистых материалов, которые формируются под ними. Итак, если нанопластинка имеет толщину в два атома, LHP под ней образуется в виде серии квантовых ям толщиной в два атома.
«Однако сами нанопластинки нестабильны, как и остальная часть материала LHP. Вместо этого толщина нанопластинок продолжает расти, со временем добавляя новые слои атомов. Таким образом, когда толщина нанопластинки составляет три атома, она образует трёхатомные квантовые ямы и так далее. И в конце концов нанопластинка становится настолько толстой, что превращается в трёхмерный кристалл».
Это открытие также разрешило давнюю проблему о том, почему дифракция рентгеновских лучей и оптическая спектроскопия давали разные результаты. Дифракция обнаруживает скопление листов и, следовательно, не обнаруживает нанопластинки, тогда как оптическая спектроскопия обнаруживает изолированные листы.
“Что интересно, так это то, что мы обнаружили, что можем по существу остановить рост нанопластинок контролируемым способом, существенно изменяя размер и распределение квантовых ям в пленках LHP”, — говорит Амассиан. “Контролируя размер и расположение квантовых ям, мы можем добиться превосходных энергетических каскадов, что означает, что материал обладает высокой эффективностью и скоростью передачи зарядов и энергии для целей применения лазеров и светодиодов”.
Когда исследователи обнаружили, что нанопластинки играют столь важную роль в формировании перовскитовых слоев в LHPS, они решили посмотреть, можно ли использовать нанопластинки для разработки структуры и свойств других перовскитовых материалов, таких как перовскиты, используемые для преобразования света в электричество в солнечных элементах и других фотоэлектрических технологиях.
“Мы обнаружили, что нанопластинки играют аналогичную роль в других перовскитных материалах и могут быть использованы для разработки этих материалов с целью улучшения желаемой структуры, улучшения их фотоэлектрических характеристик и стабильности”, — говорит Милад Аболхасани, соавтор статьи и профессор химической и биомолекулярной инженерии ALCOA в университете Северной Каролины.
Сообщение Разработка перовскитных материалов на атомном уровне прокладывает путь для новых лазеров и светодиодов появились сначала на Время электроники.