科学家深入研究钙钛矿性质

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由莱斯大学和洛斯阿拉莫斯国家实验室领导的科学家在量子尺度装置中发现了电子特性,这些特性可能影响低成本钙钛矿和光电子领域的发展。

在一个开放存取的自然通讯论文中,由洛斯阿拉莫斯科学家Aditya Mohite和Jean Christophe Blancon领导的研究人员,他们都将在今年夏天加入水稻,研究了由晶体、卤化物基钙钛矿化合物组成的量子威尔斯中捕获的激子的行为。

因此,他们能够创建一个规模,通过实验室可以确定激子的结合能,从而确定在任何厚度的钙钛矿量子威尔斯中的带隙结构。这反过来又有助于下一代半导体材料的基本设计。

基于钙钛矿量子阱的光电器件在量子尺度上转换和控制光,其反应低于100纳米,遵循不同于经典力学支配的规则。

将光转换为电能的太阳能电池是光电子器件。还有把电变为光的设备,包括发光二极管(LED)和无处不在的半导体激光器,它们为条形码阅读器、激光打印机、光盘播放机和其他技术提供能源。研究人员认为,实现效率最大化的任何一步都会有广泛的影响。

其研究中心的激子是电中性的准粒子,它只存在于电子和电子空穴结合在绝缘或半导体固体中时,例如量子阱(威尔斯),用来捕获粒子用于研究。

研究中使用的量子威尔斯是由西北大学化学家MurCuri KANATZIDIS和莫伊特实验室合成的,它们是基于钙钛矿化合物,具有特定的层状结构,被称为RudsLord-PopPb相(RPP)。这类材料具有独特的电子和磁特性,并已应用于金属空气电池。

“理解激子的性质并产生激子结合能的一般标度律是设计任何光电器件,如太阳能电池、激光器或探测器所需的第一个基本步骤,”Mohite说,他将成为化学的副教授。水稻生物分子工程

此前,研究人员发现,它们可以通过改变其原子厚度来调节RPP钙钛矿层中激子和自由载流子的共振。这似乎改变了激子的质量,但是科学家直到现在还不能测量这个现象。

“改变这些半导体的厚度,使我们对单层2D材料和3D材料之间的准维、中间物理有了基本的了解,”目前洛斯阿拉莫斯的一位研究科学家Blancon说。“我们首次在非合成材料中实现了这一点。”

洛斯阿拉莫斯研究科学家Andreas Stier在60特斯拉磁场下测试了威尔斯,以直接探测激子的有效质量,这是二维钙钛矿材料中激子的建模和理解能量传输的关键。

将样品带到Rice,使研究人员能够同时将它们暴露于超低温、高磁场和偏振光中,这种能力仅由一种独特的分光镜提供,这是一种由宽带光学(RAMBO)组成的水稻先进磁体,由共同作者和物理学家Jun监督。河野一郎

Blancon在洛斯阿拉莫斯进行的先进光谱学(MaHeTe实验室中的水稻很快就可获得)提供了直接探测RPPS中的光学跃迁,以获得激子结合能,这是突破激子结垢定律的基础。本文描述了量子阱厚度。

研究者们将他们的结果与杰克在法国州雷恩州的SNA的物理学教授威尔斯设计的计算模型进行了比较,结果发现,钙钛矿量子威尔斯中激子的有效质量高达五层,是其3D体积对应物的两倍大。

当他们接近五层(3.1纳米)时,Blancon说,电子和空穴之间的结合能显著降低,但仍然大于100毫电子伏特,使得它们在室温下足够坚固。例如,他说,这将允许设计具有颜色可调谐性的高效发光器件。

组合的实验和计算机模型数据允许他们创建一个尺度,预测在任何厚度的2D或3D钙钛矿中的激子结合能。研究人员发现,钙钛矿量子威尔斯超过20个原子厚(约12纳米)从量子激子过渡到经典的自由载流子规则,通常在室温下在三维钙钛矿中看到。

“这是一个伟大的机会,让我们展示独特的能力,兰博用于高冲击材料的研究,”Kono说。“凭借优良的光接入,这种基于微型线圈的脉冲磁体系统使我们能够在高达30特斯拉的高磁场下进行各种类型的光谱学实验。”

研究人员指出,尽管实验是在超低温下进行的,但他们观察到的也应适用于室温。

“这项工作是一个基本的和非直观的结果,我们确定一个普遍的缩放行为的激子结合能在RudsLord-PopPer-2D混合钙钛矿,”Mohite说。“这是一个基本的测量,几十年来仍然是难以捉摸的,但它的知识是至关重要的任何基于这类材料的光电器件的设计,并可能在未来的设计,例如零阈值激光二极管和多方面的含义。用于光电子的功能异质材料。

该论文的另外作者是洛斯阿拉莫斯的水稻研究生Hsinhan Tsai;Fumiya Katsutani和蒂莫西诺的大米;万一聂,Sergei Tretiak,Scott Crooker和Jared Crochet的洛斯阿拉莫斯;西北大学的Constantinos Stoumpos;法国雷恩大学的Mikael Kepenekian和Claudine Katan。Kanatzidis是西北大学的Charles E.和Emma H. Morrison化学教授。KONO是电气和计算机工程、物理学和天文学、材料科学和纳米工程的教授。

这项研究得到了能源部、国家科学基金会、佛罗里达州州、海军研究办公室、法国国家研究局、罗伯特·A·韦尔奇基金会和空军科学研究办公室的支持。

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