Forskere viser ophidsede elektroner, der retter det skæve gitter af perovskit nanokrystaller
Forskere fra ETH Zürich, Empa og Stanford har taget snapshots af krystalstrukturen af perovskit nanokrystaller, da den blev deformeret af exciterede elektroner. Til deres overraskelse rettede deformationen den skæve krystalstruktur ud i stedet for at gøre den mere uordnet.
Mange videnskabelige og tekniske problemer kunne let løses, hvis det var muligt at se ind i et materiale og se dets atomer og elektroner vrikke rundt i realtid. I tilfældet med halogenidperovskitter, en klasse af mineraler, der er blevet meget populær i de senere år for deres anvendelse i teknologier lige fra solceller til kvanteteknologier, har fysikere længe forsøgt at forstå deres fremragende optiske egenskaber.
Et team af forskere ledet af Nuri Yazdani og Vanessa Wood ved ETH Zürich, og Aaron Lindenberg ved Stanford har sammen med kolleger ved Empa i Dübendorf nu gjort betydelige fremskridt i retning af vores forståelse af perovskitter ved at studere bevægelsen af atomer inde i nanokrystaller med en tid opløsning på et par milliardtedele af et sekund. De har for nylig offentliggjort deres resultater i Nature Physics .
"Halide perovskites er gode til mange opto-elektroniske applikationer," siger Yazdani. "Men det er på nogle måder forvirrende, hvordan denne klasse af materialer kan udvise så enestående optiske og elektroniske egenskaber." Perovskitter er mineraler, der har samme type krystalstruktur som calciumtitanat (CaTiO3 ), den "originale" perovskite.
Forskere vidste, at når perovskitter absorberer lys, kobles elektroner, der er ophidset til højere energier, stærkt til fononer inde i materialet. Fononer er kollektive vibrationer, der ligner lydbølger, af atomerne i en krystal. "Ofte kan man behandle den gennemsnitlige position af hvert atom inde i en krystal som fast, men det er ikke længere muligt, når en optisk excitation af en elektron fører til en stor reorganisering af krystalgitteret," forklarer Yazdani. Spørgsmålet, som forskerne skulle besvare, var derfor:hvordan ændrer exciterede elektroner i perovskitter formen på krystalgitteret?
Kig inde i nanokrystaller
For at tage et kig ind i en perovskit (formamidinium blybromid) syntetiseret ved Empa af Maryna Bodnarchuk og ETH professor Maksym Kovalenko, brugte forskerne en ultrahurtig elektrondiffraktionsstrålelinjefacilitet ved Stanford National Accelerator Laboratory (SLAC), der producerer meget korte pulser af elektroner, der varer ved. kun hundrede femtosekunder eller milliontedele af en milliontedel af et sekund. Disse elektroner rammer derefter perovskit-nanokrystallerne, omkring 10 nanometer store, og de diffrakterede elektroner opsamles på en skærm.
Da elektroner er kvantepartikler, der opfører sig som bølger, interfererer elektronbølgerne konstruktivt eller destruktivt efter at være blevet diffrakteret fra atomerne inde i materialet, afhængigt af atomernes positioner og diffraktionsretningen - meget ligesom lys, der kommer ud fra en dobbeltspalte. Selv små ændringer i krystalstrukturen kan måles på denne måde.
ETH-forskerne gjorde brug af en særlig funktion ved SLAC-strålelinjen til at tage snapshots af krystalstrukturen under og efter absorptionen af en foton:ved at bruge den samme laser til at skabe fotonerne og til at udløse elektronimpulsen, var de i stand til at kontrollere fotonens ankomsttid ved nanokrystallerne i forhold til elektronernes ved at ændre den afstand, som fotonerne skulle tilbagelægge. Fra analysen af disse snapshots over flere hundrede picosekunder (milliarddele af sekunder) var det muligt at se, hvordan deformationen af krystalgitteret forårsaget af de fotoexciterede elektroner udviklede sig over tid.
Overraskende stigning i symmetri
Resultaterne overraskede forskerne. De havde forventet at se en deformation af krystalgitteret, der skulle have ført til en reduktion i dets symmetri. I stedet observerede de et skift i retning af øget symmetri - de exciterede elektroner havde en smule rettet den skæve krystalstruktur af perovskitten ud.
Ud fra modelberegninger var de i stand til at udlede, at flere excitoner - bundne par af exciterede elektroner og positivt ladede huller efterladt af deres excitation - kunne samarbejde om at rette gitteret ud. Da det sænker deres samlede energi, blev excitonerne effektivt tiltrukket af hinanden.
Tilpasning af perovskitters optiske egenskaber
"Forståelse af oprindelsen af elektron-fonon-koblingen vil gøre det lettere at producere perovskiter med særlige optiske egenskaber skræddersyet til specifikke applikationer," siger Yazdani. For eksempel kan perovskit-nanokrystaller til brug i næste generations tv-skærme belægges i en skal af et andet materiale for at reducere elektron-fonon-koblingen og dermed reducere den spektrale linjebredde af det udsendte lys. Dette blev allerede demonstreret i 2022 af flere af medforfatterne til Nature Physics papir.
Da den attraktive interaktion mellem excitoner ligner den mekanisme, der tillader elektrisk strøm at flyde uden tab i superledere, kan denne tiltrækning måske udnyttes til at forbedre elektrontransport. Dette kunne til gengæld være nyttigt til fremstilling af solceller baseret på perovskiter.
Flere oplysninger: Nuri Yazdani et al., Kobling til oktaedriske hældninger i halogenid perovskit nanokrystaller inducerer phonon-medierede attraktive interaktioner mellem excitoner, Nature Physics (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02253-7
Journaloplysninger: Naturfysik
Leveret af ETH Zürich
Varme artikler
-
Forskere opdager en ny måde at drive elektriske enheder påUniversity of Alberta-forsker Thomas Thundat og ph.d.-studerende Jun Liu har gjort et stort fremskridt i udviklingen af triboelektriske nan-generatorer. Disse enheder kan omsætte små mængder mekanis -
Sommerfuglevinge inspirerer til solcelleanlæg:Lysabsorption kan forbedres med op til 200 procentNanostrukturer af fløjen af Pachliopta aristolochiae kan overføres til solceller og øge deres absorptionshastigheder med op til 200 procent. Kredit:Radwanul H. Siddique, KIT/Caltech Sollys refle -
Nanopartikelgel forener olie og vand i en fremstillingsvenlig tilgangI modsætning til andre gel-fremgangsmåder, hvor nanopartikler forbliver ved grænsefladen mellem gelens to opløsningsmidler (øverst til venstre), den nye tilgang koncentrerer nanopartikler i det indre -
Forskere bruger DNA-nanomaskiner til at opdage undergrupper af lysosomerMed uret fra øverst til venstre:UChicago-forskerne Anand Saminathan, Kasturi Chakraborty, Yamuna Krishnan og KaHo Leung undersøger resultater fra en ny DNA-nanomaskine til at spore lysosomaktivitet i