Het vastleggen van de vluchtige transformatie van perovskiet nanomaterialen onder licht

Een team heeft een krachtige nieuwe spectroscopische techniek ontwikkeld die realtime tracking mogelijk maakt van hoe perovskiet nanomaterialen veranderen onder licht. De studie is gepubliceerd in het dagboek Natuurcommunicatie.

De techniek, asynchrone en interferometrische voorbijgaande absorptiespectroscopie (AI-TA) genoemd, biedt ultrasnelle metingen van dynamiek van geëxciteerde toestand en structurele transformaties in licht-reagerende materialen. Het overwint belangrijke beperkingen van traditionele ultrasnelle spectroscopie, die vaak lange data-acquisitietijden vereist en tijdens het meten lichtgevoelige monsters kan beschadigen.

Het team van het Institute for Basic Science (IBS) Centre for Molecular Spectroscopy and Dynamics (CMSD) werd geleid door directeur Cho Minhaeng (hoogleraar chemie, Korea University) en professor Yoon Tai Hyun (Department of Physics, Korea University).

“We kunnen nu tegelijkertijd niet alleen zien hoe een materiaal op licht reageert, maar ook hoe het transformeert tijdens de reactie zelf”, legt regisseur Cho Minhaeng uit. “Dit maakt AI-TA een krachtig hulpmiddel voor realtime analyse van complexe nanoschaalprocessen.”

Perovskietmaterialen worden beschouwd als veelbelovende kandidaten voor opto-elektronische apparaten van de volgende generatie zoals zonnecellen en LED’s. Conventionele femtoseconde (10^-15 ten tweede) lasergebaseerde technieken zorgen voor ultrasnelle observatie van hun dragerdynamiek, wat een weerspiegeling is van chemische en fysische eigenschappen.

Dergelijke eigenschappen zijn echter zeer gevoelig voor externe factoren, zoals licht, waardoor het moeilijk is om te bestuderen hoe ze zich gedragen in echte omstandigheden. Vooral voor ultrasnelle spectroscopie kunnen de laserpulsen die voor observatie worden gebruikt, het monster afbreken of veranderen.

Het IBS-team ging deze uitdaging aan door de meettijd dramatisch te verkorten met behulp van AI-TA, die afhankelijk is van twee nauwkeurig gesynchroniseerde lasers om spectraal en tijdelijk opgeloste snapshots van de tijdelijke toestand van het materiaal vast te leggen.

Met deze techniek konden de IBS -onderzoekers fenomenen observeren – inclusief dynamiek van ladingsdrager, compositorische verschuivingen en structurele reorganisaties – over brede tijdschalen variërend van femtoseconden tot enkele minuten.

“AI-TA evolueert naar een in de tijd opgeloste spectroscopische techniek die de precisie van optische frequentiekamtechnologie gebruikt om moleculaire reacties in het femtosecondregime te onderzoeken,” voegde professor Yoon Tai Hyun toe, co-correspondende auteur van de studie.

De onderzoekers pasten AI-TA toe op twee soorten perovskite-systemen. In de eerste bestudeerden ze door licht geïnduceerde halidenificatiesubstitutie in cesium loodhalide-nanokristallen, waaruit blijkt dat het verhogen van de chloride-tot-bromide-verhouding leidde tot hogere bandgap-energieën en snellere dynamiek van ladingscarrier.

In de tweede onderzochten ze lichtgestuurde transformatie en agglomeratie van colloïdale perovskiet nanoplatelets, waarbij ze observeerden hoe energieverlies bij hot dragers veranderde afhankelijk van agglomeratie en een genuanceerde relatie onthulden tussen optisch gedrag en structurele evolutie.

“AI-TA biedt een nieuwe manier om de dynamiek van nieuwe materialen en verschillende chemische stoffen te bestuderen die gemakkelijk kunnen worden veranderd door licht en andere factoren,” zei Dr. Han Gi Rim, eerste auteur van de studie.

“Dit experiment markeert de eerste stap in het presenteren van het potentieel van AI-TA, en we kijken ernaar uit om zijn toepassingen uit te breiden in toekomstig onderzoek.”

Dit onderzoek betekent een technologische sprong bij het vastleggen van de realtime evolutie van lichtgevoelige materialen tijdens lasermetingen. Naast Perovskites heeft de AI-TA-methode het potentieel om ontdekkingen in velden te versnellen, variërend van kwantummaterialen en katalyse tot opto-elektronische en fotonische systemen van de volgende generatie.