Experimenten visualiseren hoe 2D perovskietstructuren veranderen wanneer ze worden opgewonden

Onderzoekers van Rice University wisten al dat de atomen in perovskieten gunstig reageren op licht. Nu kunnen ze precies zien hoe die atomen bewegen.

Een doorbraak in visualisatie ondersteunt hun inspanningen om elke mogelijke druppel bruikbaarheid uit op perovskiet gebaseerde materialen, waaronder zonnecellen, te persen, een langlopend project dat pas onlangs een vooruitgang opleverde om de apparaten veel duurzamer te maken.

Een studie gepubliceerd in natuur fysica beschrijft de eerste directe meting van structurele dynamiek onder door licht geïnduceerde excitatie in 2D perovskieten. Perovskieten zijn gelaagde materialen met goed geordende kristalroosters. Het zijn zeer efficiënte oogstmachines van licht die worden onderzocht voor gebruik als zonnecellen, fotodetectoren, fotokatalysatoren, lichtgevende diodes, kwantumzenders en meer.

“De volgende grens op het gebied van apparaten voor het omzetten van licht naar energie is het oogsten van hete dragers”, zegt Aditya Mohite van Rice University, een overeenkomstige auteur van de studie. “Studies hebben aangetoond dat hete dragers in perovskiet tot 10-100 keer langer kunnen leven dan in klassieke halfgeleiders. De mechanismen en ontwerpprincipes voor de energieoverdracht en hoe ze interageren met het rooster worden echter niet begrepen.”

Hete dragers zijn kortlevende ladingsdragers met hoge energie, ofwel elektronen voor negatieve ladingen of elektronen “gaten” voor positieve ladingen, en als ze de mogelijkheid hebben om hun energie te oogsten, zouden apparaten voor het oogsten van licht “de thermodynamische efficiëntie kunnen overtreffen”, zei Mohite , universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering aan de George R. Brown School of Engineering van Rice.

Mohite en drie leden van zijn onderzoeksgroep, senior wetenschapper Jean-Christophe Blancon en afgestudeerde studenten Hao Zhang en Wenbin Li, werkten samen met collega’s van het SLAC National Accelerator Laboratory om te zien hoe atomen in een perovskietrooster zichzelf herschikten wanneer een hete drager werd gemaakt in hun midden. Ze visualiseerden roosterreorganisatie in realtime met behulp van ultrasnelle elektronendiffractie.

“Telkens wanneer je deze zachte halfgeleiders blootstelt aan prikkels zoals elektrische velden, gebeuren er interessante dingen”, zei Mohite. “Wanneer je elektronen en gaten genereert, hebben ze de neiging om op ongebruikelijke en zeer sterke manieren aan het rooster te koppelen, wat niet het geval is voor klassieke materialen en halfgeleiders.

“Dus er was een fundamentele natuurkundige vraag,” zei hij. “Kunnen we deze interacties visualiseren? Kunnen we zien hoe de structuur daadwerkelijk reageert op zeer snelle tijdschalen terwijl je dit materiaal belicht?”

Het antwoord was ja, maar alleen met een sterke inbreng. SLAC’s mega-elektron-volt ultrasnelle elektronendiffractie (MeV-UED)-faciliteit is een van de weinige plaatsen ter wereld met gepulseerde lasers die in staat zijn om het elektron-gat plasma in perovskieten te creëren dat nodig was om te onthullen hoe de roosterstructuur veranderde in minder dan een miljardste van een seconde als reactie op een hot carrier.

“De manier waarop dit experiment werkt, is dat je een laser door het materiaal schiet en vervolgens een elektronenstraal stuurt die er met een zeer korte vertraging langs gaat”, legt Mohite uit. “Je begint precies te zien wat je zou zien in een TEM-beeld (transmissie-elektronenmicroscoop). Met de hoogenergetische elektronen bij SLAC kun je diffractiepatronen van dikkere monsters zien, en zo kun je volgen wat er met die elektronen en gaten gebeurt. en hoe ze omgaan met het rooster.”

De experimenten bij SLAC produceerden diffractiepatronen voor en na die het team van Mohite interpreteerde om te laten zien hoe het rooster veranderde. Ze ontdekten dat nadat het rooster door licht was opgewonden, het zich ontspande en letterlijk rechtop ging staan ​​in slechts één picoseconde, of een biljoenste van een seconde.

Zhang zei: “Er is een subtiele kanteling van de perovskiet-octaëders, die deze tijdelijke reorganisatie van het rooster naar een hogere symmetrische fase triggert.”

Door aan te tonen dat een perovskietrooster plotseling minder vervormd kan worden als reactie op licht, toonde het onderzoek aan dat het mogelijk zou moeten zijn om af te stemmen hoe perovskietroosters omgaan met licht, en het suggereerde een manier om de afstemming te bereiken.

Li zei: “Dit effect is erg afhankelijk van het type structuur en het type organische spacer-kation.”

Er zijn veel recepten voor het maken van perovskieten, maar ze bevatten allemaal organische kationen, een ingrediënt dat fungeert als een afstandhouder tussen de halfgeleidende lagen van het materiaal. Door organische kationen te vervangen of subtiel te veranderen, kunnen onderzoekers de roosterstijfheid aanpassen, omhoog of omlaag draaien om te veranderen hoe het materiaal op licht reageert, zei Li.

Mohite zei dat de experimenten ook aantonen dat het afstemmen van het rooster van een perovskiet de warmteoverdrachtseigenschappen ervan verandert.

“Wat algemeen wordt verwacht, is dat wanneer je elektronen op een zeer hoog energieniveau exciteert, ze hun energie aan het rooster verliezen”, zei hij. “Een deel van die energie wordt omgezet in welk proces dan ook, maar veel ervan gaat verloren als warmte, wat in het diffractiepatroon zichtbaar wordt als een verlies aan intensiteit.

“Het rooster krijgt meer energie uit thermische energie,” zei Mohite. “Dat is het klassieke effect dat wordt verwacht en dat bekend staat als de Debye-Waller-factor. Maar omdat we nu precies kunnen weten wat er in elke richting van het kristalrooster gebeurt, zien we dat het rooster meer kristallijn of geordend begint te worden. En dat is totaal contra-intuïtief.”

Een beter begrip van hoe opgewonden perovskieten met warmte omgaan, is een bonus van het onderzoek, zei hij.

“Terwijl we apparaten steeds kleiner maken, is warmtebeheer een van de grootste uitdagingen vanuit een micro-elektronica-perspectief”, zei Mohite. “Het is belangrijk om deze warmteontwikkeling te begrijpen en hoe deze door materialen wordt getransporteerd.

“Als mensen het hebben over stapelapparaten, moeten ze heel snel warmte kunnen onttrekken”, zei hij. “Terwijl we overgaan op nieuwe technologieën die minder stroom verbruiken en minder warmte genereren, stellen dit soort metingen ons in staat om direct te onderzoeken hoe warmte stroomt.”