Forskare från ETH Zürich, Empa och Stanford har tagit ögonblicksbilder av kristallstrukturen hos perovskit-nanokristaller när den deformerades av exciterade elektroner. Till deras förvåning rätade deformationen ut den sneda kristallstrukturen snarare än att göra den mer oordnad.
Många vetenskapliga och tekniska problem skulle lätt kunna lösas om det var möjligt att titta in i ett material och se dess atomer och elektroner vicka omkring i realtid. När det gäller halogenidperovskiter, en klass av mineraler som har blivit mycket populär de senaste åren för deras användning i tekniker som sträcker sig från solceller till kvantteknologier, har fysiker länge försökt förstå deras utmärkta optiska egenskaper.
Ett team av forskare ledda av Nuri Yazdani och Vanessa Wood vid ETH Zürich, och Aaron Lindenberg vid Stanford, tillsammans med kollegor vid Empa i Dübendorf, har nu gjort betydande framsteg mot vår förståelse av perovskiter genom att studera atomernas rörelse inuti nanokristaller med en tid upplösning på några miljarddelar av en sekund. De publicerade nyligen sina fynd i Nature Physics .
"Halidperovskiter är bra för många opto-elektroniska applikationer", säger Yazdani. "Men det är på något sätt förbryllande hur denna klass av material kan uppvisa så enastående optiska och elektroniska egenskaper." Perovskiter är mineraler som har samma typ av kristallstruktur som kalciumtitanat (CaTiO3 ), den "ursprungliga" perovskiten.
Forskare visste att när perovskiter absorberar ljus kopplas elektroner som är exciterade till högre energier starkt till fononer inuti materialet. Fononer är kollektiva vibrationer, liknande ljudvågor, av atomerna i en kristall. "Ofta kan man behandla den genomsnittliga positionen för varje atom inuti en kristall som fast, men det är inte längre möjligt när en optisk excitation av en elektron leder till en stor omorganisation av kristallgittret", förklarar Yazdani. Frågan som forskarna fick svara på var därför:hur ändrar exciterade elektroner i perovskiter formen på kristallgittret?
Titta inuti nanokristaller
För att ta en titt inuti en perovskit (formamidiniumblybromid) syntetiserad vid Empa av Maryna Bodnarchuk och ETH-professorn Maksym Kovalenko, använde forskarna en ultrasnabb elektrondiffraktionsstrålelinjeanläggning vid Stanford National Accelerator Laboratory (SLAC) som producerar mycket korta pulser av elektroner som varar länge. bara hundra femtosekunder, eller miljondelar av en miljondels sekund. Dessa elektroner träffar sedan perovskitenanokristallerna, cirka 10 nanometer stora, och de diffrakterade elektronerna samlas upp på en skärm.
Eftersom elektroner är kvantpartiklar som beter sig som vågor, efter att ha diffrakterats från atomerna inuti materialet, interfererar elektronvågorna konstruktivt eller destruktivt, beroende på atomernas positioner och diffraktionsriktningen - ungefär som ljus som kommer ut från en dubbel slits. Även små förändringar i kristallstrukturen kan mätas på detta sätt.
ETH-forskarna använde sig av en speciell egenskap hos SLAC-strållinjen för att ta ögonblicksbilder av kristallstrukturen under och efter absorptionen av en foton:genom att använda samma laser för att skapa fotonerna och för att trigga elektronpulsen, kunde de kontrollera fotonens ankomsttid till nanokristallerna i förhållande till elektronernas tid genom att ändra avståndet som fotonerna måste färdas. Från analysen av dessa ögonblicksbilder över flera hundra pikosekunder (miljarddelar av sekunder) var det möjligt att se hur deformationen av kristallgittret som orsakades av de fotoexciterade elektronerna utvecklades över tiden.
Resultaten överraskade forskarna. De hade förväntat sig att se en deformation av kristallgittret som borde ha lett till en minskning av dess symmetri. Istället observerade de en förskjutning mot ökad symmetri – de exciterade elektronerna hade något rätat ut perovskitens skeva kristallstruktur.
Från modellberäkningar kunde de härleda att flera excitoner - bundna par av exciterade elektroner och positivt laddade hål som lämnats efter av deras excitation - kunde samarbeta för att räta ut gittret. Eftersom det sänker deras totala energi, attraherades excitonerna effektivt till varandra.
"Att förstå ursprunget till elektron-fonon-kopplingen kommer att göra det lättare att producera perovskiter med speciella optiska egenskaper skräddarsydda för specifika applikationer", säger Yazdani. Till exempel kan perovskit-nanokristaller för användning i nästa generations TV-skärmar beläggas i ett skal av ett annat material för att minska elektron-fonon-kopplingen och därmed minska den spektrala linjebredden av det emitterade ljuset. Detta demonstrerades redan 2022 av flera av medförfattarna till Nature Physics papper.
Dessutom, eftersom den attraktiva interaktionen mellan excitoner liknar mekanismen som tillåter elektrisk ström att flyta utan förlust i supraledare, kan den attraktionen utnyttjas för att förbättra elektrontransporten. Detta kan i sin tur vara användbart för att göra solceller baserade på perovskiter.
Mer information: Nuri Yazdani et al, Koppling till oktaedriska lutningar i halogenidperovskit nanokristaller inducerar fononmedierade attraktiva interaktioner mellan excitoner, Naturfysik (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02253-7
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av ETH Zürich
