Langrækkende energitransport i perovskit nanokrystalfilm

At producere ren energi og reducere strømforbruget til belysning og personlige enheder er nøgleudfordringer for at reducere den moderne civilisations indvirkning på miljøet. Som resultat, den stigende efterspørgsel efter solceller og lysemitterende enheder driver videnskabsmænd til at udforske nye halvledermaterialer og forbedre deres ydeevne, samtidig med at produktionsomkostningerne sænkes.

Halvleder nanokrystaller (materialer med størrelser på ca. 10 nanometer, hvilket er cirka 10, 000 gange tyndere end vores hår) har et stort løfte om disse applikationer:de er billige at producere, kan nemt integreres i disse enheder og har usædvanligt forbedrede egenskaber ved interaktion med lys, sammenlignet med deres bulk modstykker. Denne stærke kobling med lys giver dem en markant kant i forhold til konventionelle halvledere, dermed baner vejen for højeffektive enheder.

Desværre, denne kant har en pris:når størrelsen af ​​en halvleder reduceres, elektroner kan ikke længere bevæge sig frit hen over materialet, der er begrænset af deres fysiske dimensioner. Desuden, deres meget større overflader nødvendiggør brugen af ​​passiveringsstrategier (f.eks. med organiske ligander) for at reducere de fælder, der utilsigtet kunne påvirke ladningstransporten yderligere. Derfor, praktisk udbredt anvendelse af nanokrystaller er begrænset, og deres forstyrrende potentiale kan ikke udnyttes.

I et nyt blad udgivet i Lys:Videnskab og applikationer , et hold af videnskabsmænd, ledet af professor Tze Chien Sum fra Nanyang Technological University (NTU), Singapore, har opdaget, at nanokrystaller lavet af halogenidperovskitter har ekstraordinære egenskaber for energitransport, som erstatter transport af afgifter, og kunne åbne nye steder for implementering af disse materialer i højeffektive enheder.

Prof. Sum og hans team har allerede været pionerer i undersøgelsen af ​​ladningstransport i disse materialer. I 2013 rapporterede holdet hidtil usete elektrontransportegenskaber for bulkhalogenidperovskitter, og denne opdagelse understøttede halogenidperovskits succeser i de følgende år.

I dette arbejde, Prof. Sums team demonstrerede, at energi overraskende kan transporteres meget effektivt i film lavet af nanokrystaller. Holdet brugte et mikroskopi-billeddannelsessystem til at 'visualisere' energien, der rejser ved hjælp af deres stærke lysemission som en sonde, som vist i figur 1.

Mens negative og positive ladninger (elektroner og huller, henholdsvis) alene ikke kan rejse inde i dette nanostrukturerede materiale, de kan slå sig sammen og danne såkaldte "excitoner" for at rejse sammen, som vist i figur 2. Energimobiliteten i disse materialer overstiger den i andre konventionelle nanostrukturer, såsom Cadmium Selenide (CdSe) kvanteprikker med mere end 1 størrelsesorden. I øvrigt, energi kan endda rejse længere i disse materialer sammenlignet med, hvad ladninger kan gøre i bulkhalogenidperovskitter.

"Dette resultat er uden fortilfælde. Når du reducerer størrelsen af ​​et materiale, normalt betyder det, at du reducerer den maksimale afstand, som ladningerne kan rejse inde i den. Imidlertid, i halogenidperovskitter, når du reducerer deres dimension til kvantestørrelse, disse afgifter formår at arrangere sig selv i excitoner og finde en anden måde at rejse på. Deres rækkevidde er nu endda til længere afstande end deres oprindelige rækkevidde, før du reducerer deres størrelser, " sagde Dr. David Giovanni og Dr. Marcello Righetto, to af værkets hovedforfattere, der delte lige store bidrag.

Her, to energitransportmekanismer blev identificeret:excitonerne 'hopper' meget effektivt mellem forskellige nanokrystaller, og deres transport understøttes af emissionslys, der fanges i filmen og derfor reabsorberes. For første gang, videnskabsmand leverede en metode til at skelne mellem disse to bidrag.

Mens den næste udfordring med direkte at implementere disse ekstraordinære egenskaber for faktiske enheder stadig er tilbage (dvs. excitoner skal opdeles i positive og negative ladninger for at skabe en detekterbar strøm), denne opdagelse af langtrækkende energitransport og deres mekanismer giver nye måder at udnytte nanostrukturer til enheder.