Manglende atomer i en glemt krystal bringer luminescens

Et lidet undersøgt medlem af perovskitfamilien af ​​materialer kunne finde anvendelse i en række elektroniske enheder, efter at forskere ved KAUST opdagede hemmeligheden bag dens stærke fotoluminescens.

Perovskites er en bred gruppe af materialer, der er kendt for at have bemærkelsesværdige optiske og elektroniske egenskaber. Perovskites med den generelle formel ABX3, og især perovskitten methylammonium blytrihalogenid, har tiltrukket sig næsten al forskningens opmærksomhed takket være deres store løfte som lavpris, højeffektive solcellematerialer.

Andre medlemmer af perovskitfamilien og perovskitderivater er også værdige forskningsemner, siger Michele De Bastiani, en postdoc i Osman Bakrs gruppe på KAUST.

De Bastiani og hans kolleger har testet Cs4PbBr6, en perovskite af A4BX6-grenen af ​​familien. Dette materiale er kendt for dets stærke fotoluminescens - evnen til at absorbere lys ved en bølgelængde og genudsende det ved en anden.

Materialets potentielle anvendelser omfatter farvekonverterende belægninger på LED-pærer, lasere og fotodetektorer. Men for at kunne finjustere materialets optoelektriske egenskaber til hver applikation, forskere skal løse mysteriet om, hvorfor perovskitten fotoluminescerer så kraftigt.

"Vi undersøgte de strukturelle og optoelektroniske egenskaber af Cs4PbBr6 for at forstå oprindelsen af ​​dets fotoluminescens, " siger De Bastiani. Udsætter materialet for en byge af tests, holdet opdagede, at når en Cs4PbBr6-krystal blev opvarmet til 180°C, dens fotoluminescens blev irreversibelt ødelagt.

Fotoluminescens er en to-trins proces; absorption af lys genererer et par kvasipartikler kaldet excitoner i perovskitten, som skal rekombinere for at genudsende lyset. Brug af temperaturafhængig røntgendiffraktion til at spore strukturelle ændringer af materialet, når varme blev påført, holdet opdagede, at ved 180°C, CsPbBr3 nanokrystaller dannes i mineralet.

De varmeinducerede strukturelle omlejringer, der skaber disse nanokrystaller, sluger også naturlige defekter i den originale krystal, hvor bromatomer manglede, konkluderede forskerne. Disse ledige bromstillinger fungerer som fælder for at passere exiktoner. Indespærret i disse fælder, excitonerne er meget mere tilbøjelige til at rekombinere og udsende lys.

"Nu hvor vi har denne grundlæggende forståelse, vores næste skridt er at gå videre til potentielle applikationer, " De Bastiani siger. "Den unikke fotoluminescens manifesteret af Cs4PbBr6 gør disse perovskiter overbevisende materialer til elektroluminescens enheder, lasere og lyskonvertere."

I mellemtiden mange andre lidet udforskede medlemmer af perovskite-familien med interessante egenskaber venter på at blive afsløret, De Bastiani tilføjer. "Et eksempel er CsPb2Br5, en enkelt krystal, vi for nylig syntetiserede for første gang med usete optoelektroniske egenskaber."