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

Onderzoekers van ETH Zürich, Empa en Stanford hebben momentopnamen gemaakt van de kristalstructuur van perovskiet-nanokristallen terwijl deze werd vervormd door aangeslagen elektronen. Tot hun verbazing zorgde de vervorming ervoor dat de scheve kristalstructuur werd rechtgetrokken in plaats van dat deze nog meer wanordelijk werd.

Veel wetenschappelijke en technische problemen zouden gemakkelijk kunnen worden opgelost als het mogelijk zou zijn om in een materiaal te kijken en de atomen en elektronen in realtime te zien bewegen. In het geval van halogenide-perovskieten, een klasse mineralen die de afgelopen jaren erg populair is geworden vanwege hun gebruik in technologieën variërend van zonnecellen tot kwantumtechnologieën, hebben natuurkundigen lang geprobeerd hun uitstekende optische eigenschappen te begrijpen.

Een team van onderzoekers onder leiding van Nuri Yazdani en Vanessa Wood van de ETH Zürich, en Aaron Lindenberg van Stanford, samen met collega’s van Empa in Dübendorf, hebben nu aanzienlijke vooruitgang geboekt in de richting van ons begrip van perovskieten door de beweging van atomen in nanokristallen met de tijd te bestuderen. resolutie van enkele miljardsten van een seconde. Zij onlangs gepubliceerd hun bevindingen binnen Natuurfysica.

“Halide-perovskieten zijn geweldig voor veel opto-elektronische toepassingen”, zegt Yazdani. “Maar het is in sommige opzichten een raadsel hoe deze klasse materialen zulke uitstekende optische en elektronische eigenschappen kan vertonen.” Perovskieten zijn mineralen die hetzelfde type kristalstructuur hebben als calciumtitanaat (CaTiO₃), de “oorspronkelijke” perovskiet.

Onderzoekers wisten dat wanneer perovskieten licht absorberen, elektronen die worden opgewonden voor 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 leidt tot een grote reorganisatie van het kristalrooster’, legt Yazdani uit. De vraag die de onderzoekers moesten beantwoorden was daarom: hoe veranderen aangeslagen elektronen in perovskieten de vorm van het kristalrooster?

Kijken in nanokristallen

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 die 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 observeerden ze een verschuiving naar 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.

Het afstemmen van de optische eigenschappen van perovskieten

“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 was al 2022 gedemonstreerd door een aantal van de 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.