Avancerad optoelektronik kräver material med nykonstruerade egenskaper. Exempel inkluderar en klass av material som kallas metallhalogenidperovskiter som har en enorm betydelse för att bilda perovskitsolceller med fotovoltaisk effektivitet. De senaste framstegen har också tillämpat perovskit nanokristaller i ljusemitterande enheter. Den ovanligt effektiva ljusemissionen av cesiumbly-halogenidperovskit kan bero på en unik excitonisk finstruktur gjord av tre ljusa tripletttillstånd som minimalt interagerar med ett proximalt mörkt singletttillstånd. Excitoner är elektroniska excitationer som är ansvariga för de emissiva egenskaperna hos nanostrukturerade halvledare, där det excitoniska tillståndet med lägst energi förväntas vara långlivat och därmed dåligt emitterande (eller "mörkt").

I en ny rapport som nu publiceras i Vetenskapens framsteg , Albert Liu och ett team av forskare inom fysik och kemi vid University of Michigan, U.S., och Campinas State University, Brasilien, använde flerdimensionell koherent spektroskopi vid kryogena (ultra kalla) temperaturer för att studera den fina strukturen utan att isolera de kubformade enkla nanokristallerna. Arbetet avslöjade koherenser (vågegenskaper i förhållande till rum och tid) som involverar tripletttillstånden hos en cesiumblyjodid (CsPbI) ₃ ) nanokristallensemble. Baserat på mätningar av triplett- och inter-triplettkoherenser, teamet fick en unik excitonfinstrukturnivåordning bestående av ett mörkt tillstånd, energiskt placerad i det ljusa triplettförgreningsröret.

Konstruera en ensemble av cesium bly-halogenid nanokristaller

I det här arbetet, Liu et al. extraherade viktiga siffror för informationsbehandling för att konstruera en ensemble av cesium bly-jodid nanokristaller (CsPbI ₃ ) vid kryogena temperaturer. De första syntetiska bly-halogenidperovskiterna från cesium utvecklades för mer än ett sekel sedan med en allmän kemisk formel av CsPbX ₃ (där X=klor—Cl, brom—Br, eller Jod—I) och en ny produktion bildade CsPbX ₃ nanokristaller som kombinerade fördelarna med perovskiter med fördelarna med kolloidala nanokristallmaterial. Perovskit nanokristallerna uppvisade luminescens med kvantutbyte för att nå nästan enhet i motsats till kalkogenid nanokristaller med ett gradientskal.

Den ovanliga ljusstyrkan hos perovskit-nanokristaller härrörde från en optiskt aktiv, icke-degenererat tripletttillstånd som avger effektivt trots närvaron av ett mörkt singletttillstånd. De unika excitonfinstrukturerna hos perovskit-nanokristaller förbättrade potentialen för kolloidala nanokristaller för kvantinformationsbearbetningstillämpningar. Dock, forskare kräver ingående kunskap om den koherenta dynamiken i perovskit-nanokristaller för att konstruera excitonöverlagringstillstånden som informationsbärare, som inte var väl förstått. Liu et al. använde därför multidimensionell koherent spektroskopi för att mäta tripletttillståndsexcitonerna och presenterade bevis för en blandad ljus-mörkernivåordning, vilket gjorde att tripletttillståndsexcitonerna endast var delvis ljusa. Teamet använde sedan perovskite nanokristaller som en potentiell materialplattform för kvanttillämpningar genom nedifrån-och-upp-teknikmetoder.

Tripletttillståndskvantumvägar och Feynman-diagram

För att utföra flerdimensionell koherent spektroskopi, teamet använde en multidimensionell optisk olinjär spektrometer som fokuserade tre laserpulser på perovskite nanokristallensemblen som en funktion av tre olika tidsfördröjningar (τ, T , och t ). Under experimenten, forskarna Fourier transformerade den utsända fyrvågsblandningssignalen som en funktion av två eller alla tre tidsfördröjningarna i ett flerdimensionellt spektrum. De hänvisade vanligtvis till de resulterande sekvenserna av ljus-materia-interaktioner som kvantvägar. Teamet representerade konceptuellt kvantvägarna med hjälp av dubbelsidiga Feynman-diagram. Diagrammen innehöll vertikalt arrangerade sekvenser av densitetsmatriselement som började med en initial grundtillståndspopulation där tiden steg uppåt, med förändringar införda i densitetsmatrisen genom interaktioner med varje excitationspuls. De noterade tre typer av kvantvägar definierade som "excited-state emission" (ESE), "ground-state bleach" (GSB) och "excited-state absorption" (ESA), och tog endast hänsyn till ESE- och GSB-vägar under detta arbete.

Fourier-transformationsstudier hade tidigare avslöjat nya elektroniska egenskaper hos olika perovskitmaterial. För att experimentellt undersöka olika kvantvägar, teamet valde polariseringen av den andra laserpulsen i uppställningen för att antingen ställa in parallellt eller ortogonalt mot den kolinjära polariseringen av de två andra pulserna. De erhöll ett enda kvantspektrum vid en temperatur av 4,6 K med kolineär och tvärlinjär excitation. Spektran avslöjade många toppar förlängda i diagonal riktning för att återspegla inhomogen spektral breddning. För att förklara toppstrukturen för båda excitationspolarisationsscheman, Liu et al. beräknade teoretiskt de relativa toppstyrkorna för de varierande dipolmatriselementen och vektororienteringarna för varje tripletttillståndsövergång och drog viktiga slutsatser från beräkningarna. Jämfört med de integrerade fyrvågsblandningsteknikerna, ett-kvantspektra var särskilt användbart i detta arbete.

Terahertz inter-triplett koherenser i noll-kvantspektra

Liu et al. visade sedan många av kvantvägarna för att generera sidoband i förhållande till inter-triplett koherenser, dvs. kvantkoherenser mellan tripletttillstånd som inte nödvändigtvis är dipolkopplade. Inter-triplet koherenstiden definierade tidsskalan inom vilken de involverade superpositionstillstånden kunde manipuleras koherent i experimentuppställningen, vilket var av praktisk betydelse. För att direkt mäta och karakterisera dessa koherenser, laget använde noll-kvantspektra vid varierande tidsfördröjningar och temperaturer (τ =0 och 20 K). För tvärlinjär excitation, forskarna isolerade inter-triplettkoherensvägarna genom att skicka den uppmätta fyrvågsblandningssignalen genom en vertikal polarisator för att plotta en resulterande korslinjär, noll-kvantspektrum vid 20 K. Inter-triplettkoherenserna var robusta mot termisk avfasning (upp till 40 K) och arbetet visade också den elektroniska karaktären hos fyrvågsblandningssignalen.

På det här sättet, Albert Liu och kollegor mätte och karakteriserade den optiska frekvensens triplettkoherenser och inter-triplettkoherenser i perovskitgitter. Resultaten skilde sig signifikant från de som tidigare rapporterats för andra bly-halogenid nanokristaller. Det verkar som att till och med en liten förändring i en enskild beståndsdel av perovskitgittret drastiskt skulle kunna förändra de interaktioner som bestämde den fina strukturella ordningen, vilket motiverar ytterligare utredning. Teamet presenterade experimentellt och teoretiskt bevis på en excitonbandkant vars emission delvis släcks av ett mellanliggande mörkt tillstånd för att bidra med viktig insikt till excitongrundtillstånden i en mängd perovskit-nanokristaller med potentiella tillämpningar för kvantinformationsbehandling.

© 2021 Science X Network