Schematisk illustration av den ovanliga blåskift-rödförskjutningsövergången av bandgap med temperatur i CsPbBr3 2-ML NPL, vilket preliminärt tillskrivs avvägningen mellan de motsatta bidragen från elektron-akustiska fonon- och elektronoptiska fononinteraktioner till bandgap-renormaliseringen. Kredit:DOI:10.1002/advs.202100084
På grund av höga kvantutbyten, stort absorptionstvärsnitt, utmärkt transportprestanda och smalbandsutsläpp, oorganiska bly-halogenid perovskit halvledare har fått ökad uppmärksamhet för sina tillämpningar i solceller, lysdioder, laseranordningar, etc. Att förstå det fysiska ursprunget för temperaturberoende för bandgap i oorganiska bly-halidperovskiter är väsentligt och viktigt.
I en studie publicerad i Avancerad vetenskap , forskargruppen ledd av professor Chen Xueyuan från Fujian Institute of Research on the Structure of Matter (FJIRSM) vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS) fann att temperaturberoendet av bandgap i CsPbBr 3 perovskites varierar med materialdimensionalitet.
Forskarna genomförde en jämförande undersökning av det temperaturberoende bandgapet i kvasi-3D bulkliknande CsPbBr 3 nanokristaller (NC) med svag kvantinneslutning och 2D 2-monolager-tjock CsPbBr 3 nanotrombocyter (2-ML NPL) med stark kvantinneslutning.
För en mer exakt bestämning av bandgap shift, forskarna extraherade noggrant bandgap-energin genom att anpassa absorptionskoefficienten nära bandkanten till Elliot-modellen. Det extraherade bandgapvärdet för CsPbBr 3 2-ML NPLs uppvisade en initial blåskiftning och sedan en rödförskjutningstrend med sjunkande temperatur från 290 till 10 K, i skarp kontrast till den monotona rödförskjutning som vanligtvis observeras i CsPbBr 3 bulkliknande NC:er.
Ur en teoretisk synvinkel, bandgap-renormaliseringen uppstår huvudsakligen från gittrets termiska expansion och elektron-fonon-interaktioner. Dock, för ett stort urval av halvledarmaterial och i synnerhet de blybaserade föreningarna, det termiska expansionsbidraget till bandgap-renormalisering togs inte med i beräkningen eftersom det hade en relativt liten magnitud med avseende på bidraget från elektron-fonon-interaktioner.
På grund av den brytande translationsperiodiciteten i tjockleksriktningen för 2D CsPbBr 3 2-ML NPL, elektron- och fononstrukturer, och följaktligen är bandgap-renormaliseringen som härrör från elektron-fonon-interaktioner benägna att förändras anmärkningsvärt i förhållande till kvasi-3D CsPbBr 3 NCs motsvarigheter. Den starka kvantinneslutningseffekten och den minskade dielektriska screeningen på grund av den låga dielektricitetskonstanten hos organiska ytligander i CsPbBr 3 2-ML NPL påverkar också elektron-fonon-interaktionerna.
Forskarna antog Bose-Einsteins tvåoscillatormodell för att bestämma den effektiva elektron-fonon-interaktionskoefficienten genom att anpassa bandgapet som en funktion av temperaturen. Resultaten visade en signifikant större vikt av bidrag från elektron-optisk fononinteraktion till bandgap-renormalisering i NPLs än vad i NCs står för blåskift-rödförskjutningsövergången av bandgap i NPL.
Den här studien ger nya insikter om den centrala rollen för elektron-fonon-interaktioner i bandgap-renormaliseringen för 2D oorganiska bly-halidperovskiter, vilket kan bana väg för ytterligare undersökningar av de optiska och optoelektroniska egenskaperna hos 2D perovskit nanomaterial.
