Forskare vid McGill University har fått ny insikt om hur perovskiter fungerar, ett halvledarmaterial som visar mycket lovande för att göra högeffektivitet, lågkostnadssolceller och en rad andra optiska och elektroniska enheter.

Perovskiter har uppmärksammats under det senaste decenniet på grund av deras förmåga att fungera som halvledare även när det finns defekter i materialets kristallstruktur. Detta gör perovskites speciella eftersom att få de flesta andra halvledare att fungera bra kräver stränga och kostsamma tillverkningstekniker för att producera kristaller som är så defektfria som möjligt. I vad som motsvarar upptäckten av ett nytt materiatillstånd, McGill-teamet har tagit ett steg framåt för att avslöja mysteriet om hur perovskites lyckas med detta trick.

"Historiskt sett människor har använt bulkhalvledare som är perfekta kristaller. Och nu, helt plötsligt, detta ofullkomliga, mjuk kristall börjar fungera för halvledarapplikationer, från solceller till lysdioder, " förklarar seniorförfattaren Patanjali Kambhampati, en docent vid Institutionen för kemi vid McGill. "Det är utgångspunkten för vår forskning:Hur kan något som är defekt fungera på ett perfekt sätt?"

Kvantprickar, men inte som vi känner dem

I en tidning publicerad 26 maj i Physical Review Research , forskarna avslöjar att ett fenomen som kallas kvantinneslutning inträffar i bulkperovskitkristaller. Tills nu, Kvantinneslutning hade bara observerats i partiklar som var några få nanometer stora – kvantprickarna i platt-TV-berömdheten var ett mycket hyllat exempel. När partiklarna är så små, deras fysiska dimensioner begränsar rörelsen av elektroner på ett sätt som ger partiklarna distinkt olika egenskaper från större bitar av samma material - egenskaper som kan finjusteras för att producera användbara effekter som emission av ljus i exakta färger.

Med hjälp av en teknik som kallas tillståndsupplöst pump/sondspektroskopi, forskarna har visat att en liknande typ av inneslutning förekommer i bulkkristaller av blybromidperovskit av cesium. Med andra ord, deras experiment har avslöjat kvantprickliknande beteende som äger rum i bitar av perovskit som är betydligt större än kvantprickar.

Överraskande resultat leder till oväntad upptäckt

Arbetet bygger på tidigare forskning som fastställde att perovskiter, samtidigt som det verkar vara en fast substans för blotta ögat, har vissa egenskaper som oftare förknippas med vätskor. I hjärtat av denna vätske-fasta dualitet är ett atomgitter som kan förvrängas som svar på närvaron av fria elektroner. Kambhampati gör en jämförelse med en studsmatta som absorberar stöten från en sten som kastas in i dess mitt. Precis som studsmattan så småningom kommer att få stenen att stanna, distorsionen av perovskitkristallgittret – ett fenomen som kallas polaronbildning – förstås ha en stabiliserande effekt på elektronen.

Medan trampolinanalogin skulle antyda en gradvis avledning av energi som överensstämmer med ett system som går från ett exciterat tillstånd tillbaka till ett mer stabilt, pump/sond spektroskopidata visade faktiskt motsatsen. Till forskarnas förvåning, deras mätningar visade en total ökning av energi i efterdyningarna av polaronbildning.

"Det faktum att energin höjdes visar en ny kvantmekanisk effekt, kvantinneslutning som en kvantprick, "Kambhampati säger, förklarar det, på elektronernas storleksskala, stenen i studsmattan är en exciton, den bundna parningen av en elektron med det utrymme den lämnar efter sig när den är i ett exciterat tillstånd.

"Vad polaron gör är att begränsa allt till ett rumsligt väldefinierat område. En av de saker som vår grupp kunde visa är att polaronen blandas med en exciton för att bilda vad som ser ut som en kvantprick. På ett sätt, det är som en flytande kvantprick, vilket är något vi kallar ett kvantfall. Vi hoppas att utforskandet av dessa kvantdroppar kommer att ge upphov till en bättre förståelse för hur man konstruerar defekttoleranta optoelektroniska material."