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科学家们深入量化了钙钛矿的特性

2019-03-06 12:35:27来源:

由莱斯大学和洛斯阿拉莫斯国家实验室领导的科学家发现了量子级器件中的电子特性,这些特性可能会影响低成本钙钛矿光电子学领域的发展。

在一篇开放获取的Nature Communications论文中,由洛斯阿拉莫斯科学家Aditya Mohite和Jean-Christophe Blancon领导的研究人员今年夏天将加入赖斯,他们研究了由晶体卤化物钙钛矿化合物制成的量子阱中激子的行为。 。

结果,他们能够创建一个尺度,通过该尺度,实验室可以确定任何厚度的钙钛矿量子阱中激子的结合能,从而确定带隙结构。这可以反过来有助于下一代半导体材料的基本设计。

基于钙钛矿量子阱的光电器件以量子尺度转换和控制光,低于100纳米的反应遵循与经典力学所规定的规则不同的规则。

将光转化为电能的太阳能电池是光电器件。将电能转化为光的设备也是如此,包括发光二极管(LED)和为条形码阅读器,激光打印机,光盘播放器和其他技术提供动力的无处不在的半导体激光器。研究人员表示,任何使其效率最大化的步骤都会产生广泛的影响。

他们研究中心的激子是电中性准粒子,只有当电子和电子空穴在绝缘或半导体固体中结合时才会存在,就像用于捕获粒子进行研究的量子阱一样。

该研究中使用的量子井由西北大学化学家Mercouri Kanatzidis实验室和Mohite实验室合成。它们基于具有特定层状结构的钙钛矿化合物,称为Ruddlesden-Popper相(RPP)。这类材料具有独特的电子和磁性特性,可用于金属空气电池。

“理解激子的性质并产生激子束缚能的一般比例定律是设计任何光电器件所需的第一个基本步骤,如太阳能电池,激光器或探测器,”Mohite说,他将成为一名副教授。莱斯的化学和生物分子工程。

以前,研究人员发现他们可以通过改变原子厚度来调整RPP钙钛矿层内激子和自由载流子的共振。这似乎改变了激子的质量,但科学家直到现在还无法测量这种现象。

“改变这些半导体的厚度使我们对单层2D材料和3D材料之间的准维度,中间物理学有了基本的了解,”主要作者Blancon说,他目前是洛斯阿拉莫斯的研究科学家。“我们首次在非合成材料中实现了这一目标。”

洛斯阿拉莫斯研究科学家Andreas Stier在60特斯拉磁场下对这些井进行了测试,以直接探测激子的有效质量,这一特征对于激子的建模和理解二维钙钛矿材料中的能量传输至关重要。

将样品带到Rice可让研究人员同时将它们暴露在超低温,高磁场和偏振光下,这种能力仅由独特的光谱仪提供,即Rice Advanced Magnet with Broadband Optics(RAMBO),由共同作者监督和物理学家Junichiro Kono。

由Blancon在洛斯阿拉莫斯进行的先进光学光谱学(Mohite实验室的Rice很快就能提供这种能力)提供了对RPP内光学跃迁的直接探测,以得出激子结合能,这是突破激子缩放的基础。本文描述了量子阱厚度定律。

将他们的结果与法国INSA雷恩物理学教授Jacky Even设计的计算模型相匹配,研究人员确定钙钛矿量子阱中激子的有效质量高达五层,大约是其3D体积的两倍。对方。

Blancon说,当它们接近五层(3.1纳米)时,电子和空穴之间的结合能显着降低,但仍然大于100毫电子伏特,使它们足够坚固,可以在室温下利用。例如,他说,这将允许设计具有颜色可调性的高效发光装置。

组合的实验和计算机模型数据允许他们创建一个尺度,预测任何厚度的2D或3D钙钛矿中的激子结合能。研究人员发现,厚度超过20个原子(约12纳米)的钙钛矿量子阱从量子激子转变为室温下三维钙钛矿中常见的经典自由载流子规则。

“这是我们展示RAMBO在高影响材料研究中的独特功能的绝佳机会,”Kono说。“凭借出色的光学通道,这种基于微型线圈的脉冲磁体系统使我们能够在高达30特斯拉的高磁场中进行各种类型的光谱学实验。”

研究人员指出,尽管实验是在超低温下进行的,但他们观察到的也应该适用于室温。

“这项工作代表了一个基本的,非直观的结果,我们在Ruddlesden-Popper 2D混合钙钛矿中确定了激子结合能的通用尺度行为,”Mohite说。“这是几十年来一直难以捉摸的基本测量,但在设计基于这类材料的任何光电器件之前,它的知识至关重要,并且可能对未来设计零阈值激光器有所启示用于光电子学的二极管和多功能异质材料。“