Onderzoekers van McGill University hebben nieuw inzicht gekregen in de werking van perovskieten, een halfgeleidermateriaal dat veelbelovend is voor het maken van hoogrenderende, goedkope zonnecellen en een reeks andere optische en elektronische apparaten.

Perovskieten hebben de afgelopen tien jaar de aandacht getrokken vanwege hun vermogen om als halfgeleiders te werken, zelfs als er defecten zijn in de kristalstructuur van het materiaal. Dit maakt perovskieten speciaal omdat om de meeste andere halfgeleiders goed te laten werken, er strenge en dure fabricagetechnieken nodig zijn om kristallen te produceren die zo defectvrij mogelijk zijn. In wat neerkomt op de ontdekking van een nieuwe staat van materie, het McGill-team heeft een stap voorwaarts gemaakt in het ontrafelen van het mysterie van hoe perovskieten deze truc uithalen.

"Historisch, mensen hebben bulkhalfgeleiders gebruikt die perfecte kristallen zijn. En nu, plotseling, dit onvolmaakte, zacht kristal begint te werken voor halfgeleidertoepassingen, van fotovoltaïsche tot LED's, " legt senior auteur Patanjali Kambhampati uit, een universitair hoofddocent bij de afdeling Scheikunde van McGill. "Dat is het uitgangspunt voor ons onderzoek:hoe kan iets dat defect is op een perfecte manier werken?"

Kwantumstippen, maar niet zoals wij ze kennen

In een paper gepubliceerd op 26 mei in Fysiek beoordelingsonderzoek , de onderzoekers onthullen dat een fenomeen dat bekend staat als kwantumopsluiting optreedt in bulkperovskietkristallen. Tot nu, kwantumopsluiting was alleen waargenomen in deeltjes van enkele nanometers groot - de kwantumstippen van de bekendheid van flatscreen-tv's zijn een veelgeprezen voorbeeld. Als deeltjes zo klein zijn, hun fysieke afmetingen beperken de beweging van elektronen op een manier die de deeltjes duidelijk andere eigenschappen geeft dan grotere stukken van hetzelfde materiaal - eigenschappen die kunnen worden verfijnd om nuttige effecten te produceren, zoals de emissie van licht in precieze kleuren.

Met behulp van een techniek die bekend staat als state-resolved pump/probe spectroscopie, de onderzoekers hebben aangetoond dat een soortgelijk type opsluiting optreedt in bulk cesium-loodbromide-perovskietkristallen. Met andere woorden, hun experimenten hebben kwantumpuntachtig gedrag blootgelegd dat plaatsvindt in stukken perovskiet die aanzienlijk groter zijn dan kwantumstippen.

Verrassend resultaat leidt tot onverwachte ontdekking

Het werk bouwt voort op eerder onderzoek waaruit bleek dat perovskieten, terwijl het met het blote oog een vaste stof lijkt, bepaalde kenmerken hebben die vaker worden geassocieerd met vloeistoffen. De kern van deze vloeistof-vaste stof dualiteit is een atoomrooster dat kan vervormen als reactie op de aanwezigheid van vrije elektronen. Kambhampati maakt een vergelijking met een trampoline die de impact opvangt van een steen die in het midden wordt gegooid. Net zoals de trampoline de rots uiteindelijk tot stilstand zal brengen, de vervorming van het perovskiet-kristalrooster - een fenomeen dat bekend staat als polaronvorming - wordt verondersteld een stabiliserend effect op het elektron te hebben.

Terwijl de trampoline-analogie een geleidelijke dissipatie van energie zou suggereren die consistent is met een systeem dat van een aangeslagen toestand teruggaat naar een stabielere toestand, de pomp/sonde-spectroscopiegegevens lieten in feite het tegenovergestelde zien. Tot verbazing van de onderzoekers hun metingen toonden een algemene toename van energie in de nasleep van polaronvorming.

"Het feit dat de energie werd opgewekt, laat een nieuw kwantummechanisch effect zien, kwantumopsluiting als een kwantumpunt, "Kambhampati zegt, dat uitleggen, op de grootteschaal van elektronen, de rots in de trampoline is een exciton, de gebonden koppeling van een elektron met de ruimte die het achterlaat wanneer het zich in een aangeslagen toestand bevindt.

"Wat het polaron doet, is alles beperken tot een ruimtelijk goed gedefinieerd gebied. Een van de dingen die onze groep kon laten zien, is dat het polaron zich vermengt met een exciton om iets te vormen wat lijkt op een kwantumpunt. In zekere zin, het is als een vloeibare kwantumstip, wat we een kwantumdruppel noemen. We hopen dat het onderzoeken van het gedrag van deze kwantumdruppels zal leiden tot een beter begrip van hoe defecttolerante opto-elektronische materialen kunnen worden ontwikkeld."