Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Onderzoekers laten zien dat opgewonden elektronen het scheve rooster van perovskiet-nanokristallen rechttrekken

3 ), de "oorspronkelijke" perovskiet.

Onderzoekers wisten dat wanneer perovskieten licht absorberen, elektronen die worden opgewonden naar hogere energieën zich sterk koppelen aan fononen in het materiaal. Fononen zijn collectieve trillingen, vergelijkbaar met geluidsgolven, van de atomen in een kristal. ‘Vaak kun je de gemiddelde positie van elk atoom in een kristal als vast beschouwen, maar dat is niet langer mogelijk als een optische excitatie van een elektron tot een grote reorganisatie van het kristalrooster leidt’, legt Yazdani uit. De vraag die de onderzoekers moesten beantwoorden was daarom:hoe veranderen aangeslagen elektronen in perovskieten de vorm van het kristalrooster?

Wanneer een foton wordt geabsorbeerd door een perovskiet, trekt het resulterende exciton het scheve kristalrooster recht (links). De onderzoekers maakten momentopnamen van dat proces door de diffractie van een zeer korte elektronenpuls op verschillende tijdstippen na de absorptie van het foton te meten (rechts). Credit:Nuri Yasdani / ETH Zürich

In nanokristallen kijken

Om een ​​kijkje te nemen in een perovskiet (formamidiniumloodbromide), gesynthetiseerd bij Empa door Maryna Bodnarchuk en ETH-professor Maksym Kovalenko, gebruikten de onderzoekers een ultrasnelle elektronendiffractiebundellijnfaciliteit in het Stanford National Accelerator Laboratory (SLAC) die zeer korte elektronenpulsen produceert die lang aanhouden. slechts honderd femtoseconden, oftewel een miljoenste van een miljoenste van een seconde. Deze elektronen raken vervolgens de perovskiet-nanokristallen, ongeveer 10 nanometer groot, en de afgebogen elektronen worden op een scherm verzameld.

Omdat elektronen kwantumdeeltjes zijn die zich als golven gedragen, interfereren de elektronengolven, nadat ze door de atomen in het materiaal zijn afgebogen, op constructieve of destructieve wijze, afhankelijk van de posities van de atomen en de richting van diffractie, net zoals licht dat uit een dubbele spleet komt. Zelfs kleine veranderingen in de kristalstructuur kunnen op deze manier worden gemeten.

De ETH-onderzoekers maakten gebruik van een speciaal kenmerk van de SLAC-bundellijn om momentopnamen te maken van de kristalstructuur tijdens en na de absorptie van een foton:door dezelfde laser te gebruiken om de fotonen te creëren en de elektronenpuls te activeren, konden ze de de aankomsttijd van het foton bij de nanokristallen ten opzichte van die van de elektronen door de afstand te veranderen die de fotonen moesten afleggen. Uit de analyse van deze momentopnamen gedurende enkele honderden picoseconden (miljardsten van seconden) was het mogelijk om te zien hoe de vervorming van het kristalrooster, veroorzaakt door de foto-geëxciteerde elektronen, zich in de loop van de tijd ontwikkelde.

Verrassende toename in symmetrie

De resultaten verrasten de onderzoekers. Ze hadden verwacht een vervorming van het kristalrooster te zien die tot een vermindering van de symmetrie had moeten leiden. In plaats daarvan namen ze een verschuiving waar in de richting van een grotere symmetrie:de aangeslagen elektronen hadden de scheve kristalstructuur van de perovskiet enigszins rechtgetrokken.

Uit modelberekeningen konden ze afleiden dat verschillende excitonen – gebonden paren aangeslagen elektronen en positief geladen gaten die achterbleven door hun excitatie – konden samenwerken bij het rechttrekken van het rooster. Omdat dat hun totale energie verlaagt, werden de excitonen effectief tot elkaar aangetrokken.

De optische eigenschappen van perovskieten afstemmen

"Het begrijpen van de oorsprong van de elektron-fononkoppeling zal het gemakkelijker maken om perovskieten te produceren met bepaalde optische eigenschappen die op maat zijn gemaakt voor specifieke toepassingen", zegt Yazdani. Perovskiet-nanokristallen voor gebruik in tv-schermen van de volgende generatie kunnen bijvoorbeeld worden gecoat in een omhulsel van een ander materiaal om de elektron-fononkoppeling te verminderen en daarmee de spectrale lijnbreedte van het uitgezonden licht te verkleinen. Dit werd in 2022 al aangetoond door verschillende co-auteurs van de Natuurfysica papier.

Omdat de aantrekkelijke interactie tussen excitonen vergelijkbaar is met het mechanisme dat ervoor zorgt dat elektrische stroom zonder verlies kan stromen in supergeleiders, zou die aantrekkingskracht ook kunnen worden benut om het elektronentransport te verbeteren. Dit zou op zijn beurt nuttig kunnen zijn voor het maken van zonnecellen op basis van perovskieten.

Meer informatie: Nuri Yazdani et al., Koppeling aan octaëdrische kantelingen in halogenide perovskiet nanokristallen induceert fonon-gemedieerde aantrekkelijke interacties tussen excitonen, Natuurfysica (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02253-7

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door ETH Zürich




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Bronnen van het lactase-enzym
  2. Wat zijn de functies van glazen schuif- en afdekglaasjes?
  3. Maakt Botox je gelukkiger als het je frons wegneemt?
  4. Staan we allemaal af van een gemeenschappelijke vrouwelijke voorouder?
  5. DNA is gecondenseerd in welke fasen?
  6. Hoe de landbouw zou kunnen veranderen in een wereld na de groei
  7. EP-leden dringen aan op onderzoek naar de invloed van Monsanto op onderzoek
  8. Wat zijn de functies van co-enzymen?
  9. Drones die ziekten bij gewassen vroegtijdig opsporen, stuwen landbouwonderzoek vooruit

Wetenschap