Multidimensionel kohærent spektroskopi afslører triplet tilstandssammenhænge i cæsium bly-halogenid perovskit nanokrystaller

Avanceret optoelektronik kræver materialer med nyudviklede egenskaber. Eksempler inkluderer en klasse af materialer kaldet metalhalogenid-perovskiter, der har enorm betydning for at danne perovskit-solceller med fotovoltaisk effektivitet. Nylige fremskridt har også anvendt perovskit nanokrystaller i lysemitterende enheder. Den usædvanligt effektive lysemission af cæsium bly-halogenid perovskit kan skyldes en unik excitonisk fin struktur lavet af tre lyse triplet tilstande, der minimalt interagerer med en proksimal mørk singlet tilstand. Excitoner er elektroniske excitationer, der er ansvarlige for de emissive egenskaber af nanostrukturerede halvledere, hvor den excitoniske tilstand med lavest energi forventes at have lang levetid og derfor dårligt udsende (eller 'mørk').

I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Videnskabens fremskridt , Albert Liu og et team af forskere i fysik og kemi ved University of Michigan, OS., og Campinas State University, Brasilien, brugt multidimensionel kohærent spektroskopi ved kryogene (ultrakolde) temperaturer til at studere den fine struktur uden at isolere de terningformede enkelt nanokrystaller. Arbejdet afslørede sammenhænge (bølgeegenskaber i forhold til rum og tid), der involverer triplettilstandene af et cæsium blyiodid (CsPbI) ₃ ) nanokrystal ensemble. Baseret på målingerne af triplet og inter-triplet kohærens, holdet opnåede et unikt exciton-finstrukturniveau, der består af en mørk tilstand, energisk placeret i den lyse triplet manifold.

Konstruktion af et ensemble af cæsium bly-halogenid nanokrystaller

I dette arbejde, Liu et al. udtrak vigtige figurer af informationsbehandling for at konstruere et ensemble af cæsium bly-iodid nanokrystaller (CsPbI ₃ ) ved kryogene temperaturer. De første syntetiske cæsium bly-halogenid perovskiter blev udviklet for mere end et århundrede siden med en generel kemisk formel af CsPbX ₃ (hvor X=chlor-Cl, brom - Br, eller Jod-I) og en nylig produktion dannet CsPbX ₃ nanokrystaller, der kombinerede fordelene ved perovskitter med fordelene ved kolloide nanokrystalmaterialer. Perovskit nanokrystallerne udviste luminescens med kvanteudbytte for at nå næsten enhed i modsætning til chalcogenid nanokrystaller med en gradientskal.

Den usædvanlige lysstyrke af perovskit nanokrystaller stammer fra en optisk aktiv, ikke-degenereret triplettilstand, der udsender effektivt på trods af tilstedeværelsen af ​​en mørk singlettilstand. De unikke exciton-fine strukturer af perovskit-nanokrystaller forbedrede potentialet af kolloide nanokrystaller til kvanteinformationsbehandlingsapplikationer. Imidlertid, forskere kræver indgående viden om den sammenhængende dynamik i perovskit-nanokrystaller for at konstruere exciton-superpositionstilstande som informationsbærere, som ikke var godt forstået. Liu et al. brugte derfor multidimensionel kohærent spektroskopi til at måle triplettilstandens excitoner og fremlagde bevis for en blandet lys-mørke-niveauordning, hvilket gjorde, at triplettilstandens excitoner kun var delvist lyse. Holdet brugte derefter perovskit-nanokrystaller som en potentiel materialeplatform til kvanteapplikationer gennem bottom-up-tekniske metoder.

Triplettilstands kvanteveje og Feynman-diagrammer

For at udføre multidimensionel kohærent spektroskopi, holdet brugte et multidimensionelt optisk ikke-lineært spektrometer, der fokuserede tre laserimpulser på perovskit nanokrystalensemblet som en funktion af tre forskellige tidsforsinkelser (τ, T , og t ). Under forsøgene, videnskabsmændene Fourier transformerede det udsendte firebølge-blandingssignal som en funktion af to eller alle tre tidsforsinkelser i et multidimensionalt spektrum. De refererede almindeligvis til de resulterende sekvenser af lys-stof-interaktioner som kvanteveje. Holdet repræsenterede konceptuelt kvantevejene ved hjælp af dobbeltsidede Feynman-diagrammer. Diagrammerne indeholdt vertikalt arrangerede sekvenser af tæthedsmatrixelementer, der begyndte med en indledende grundtilstandspopulation, hvor tiden gik opad, med ændringer indført i densitetsmatrixen ved interaktioner med hver excitationsimpuls. De bemærkede tre typer kvanteveje defineret som "excited-state emission" (ESE), "ground-state bleach" (GSB) og "excited-state absorption" (ESA), og tog kun hensyn til ESE- og GSB-veje under dette arbejde.

Fourier-transformationsundersøgelser havde tidligere afsløret nye elektroniske egenskaber af forskellige perovskitmaterialer. For eksperimentelt at undersøge forskellige kvanteveje, holdet valgte polariseringen af ​​den anden laserimpuls i opsætningen til enten at justere parallelt eller ortogonalt til den kollineære polarisering af de to andre impulser. De opnåede et enkelt kvantespektrum ved en temperatur på 4,6 K med kolineær og tværlineær excitation. Spektrene afslørede adskillige toppe, der var forlænget i diagonal retning for at afspejle inhomogen spektral udvidelse. For at forklare topstrukturen for begge excitationspolarisationsskemaer, Liu et al. teoretisk beregnet de relative spidsstyrker for de varierende dipolmatrixelementer og vektororienteringer for hver triplettilstandsovergang og draget vigtige konklusioner fra beregningerne. Sammenlignet med de integrerede fire-bølge blandingsteknikker, et-kvantespektre var særligt nyttige i dette arbejde.

Terahertz inter-triplet kohærens i nul-kvantespektre

Liu et al. viste derefter mange af kvantevejene til at generere sidebånd i forhold til inter-triplet kohærens, dvs. kvantekohærens mellem triplettilstande, der ikke nødvendigvis er dipolkoblede. Inter-triplet kohærenstiden definerede tidsskalaen, inden for hvilken de involverede superpositionstilstande kunne manipuleres kohærent i den eksperimentelle opsætning, hvilket var af praktisk betydning. For direkte at måle og karakterisere disse sammenhænge, holdet brugte nul-kvantespektre ved varierende tidsforsinkelser og temperaturer (τ =0 og 20 K). Til tværlineær excitation, forskerne isolerede inter-triplet kohærens-vejene ved at sende det målte fire-bølge blandingssignal gennem en vertikal polarisator for at plotte en resulterende tværlineær, nul-kvantespektrum ved 20 K. Inter-triplet-kohærenserne var robuste over for termisk defasering (op til 40 K), og arbejdet viste også den elektroniske natur af fire-bølge-blandingssignalet.

På denne måde Albert Liu og kolleger målte og karakteriserede den optiske frekvens triplet kohærens og inter-triplet kohærens i perovskit gitter. Resultaterne var signifikant forskellige fra dem, der tidligere er rapporteret for andre bly-halogenid nanokrystaller. Det ser ud til, at selv en lille ændring i et enkelt konstituerende atom i perovskitgitteret drastisk kunne ændre de interaktioner, der bestemte den fine strukturelle rækkefølge, hvilket kræver yderligere undersøgelse. Holdet præsenterede eksperimentelt og teoretisk bevis på en excitonbåndkant, hvis emission delvist slukkes af en mellemliggende mørk tilstand for at bidrage med vigtig indsigt til excitongrundtilstandene i en række perovskit-nanokrystaller med potentielle anvendelser til kvanteinformationsbehandling.

© 2021 Science X Network