Onderzoek naar de onder druk staande band-edge toestanden van 2D halide perovskieten

Drukgestuurde meerdere emissietoestanden in 2D hybride perovskiet (BTm)₂PbI₄. Krediet: Dr. Xujie Lü

In halfgeleider-heterostructuren zijn het herconfigureren van de band-edge-toestanden en het continu moduleren van hun interactie met ladingsdragers een langdurige uitdaging.

Onlangs koos een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Dr. Xujie Lü van het Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) en Prof. Letian Dou van Purdue University de in organische halfgeleiders opgenomen 2D-halogenideperovskieten als modelsysteem en ontdekte dat roostercompressie induceert band-uitlijning schakelen en ladingsherverdeling, die regelbare emissie-eigenschappen van deze 2D hybride halfgeleider heterostructuren realiseerde.

Het werk is gepubliceerd in het laatste nummer van Wetenschappelijke vooruitgang.

Tweedimensionale (2D) halfgeleider heterostructuren zijn belangrijke bouwstenen voor veel elektronische en opto-elektronische apparaten. “Er blijven fundamentele vragen over de effecten van de grensvlakbandtoestanden op de dragerdynamiek en opto-elektronische eigenschappen, die worden beperkt door de schaarste aan geschikte materiaalsystemen en de moeilijkheid om de grensoverschrijdende elektronische structuren continu af te stemmen via conventionele methoden”, zei Dr. Lu. “Hiervoor stellen we de manipulatie van band-edge-toestanden en ladingsverdeling voor en realiseren deze via mechanische in plaats van chemische of thermische regulering.”

Door de energieniveaus van organische en anorganische bouwstenen van organische halfgeleider-geïntegreerde 2D halide perovskieten continu te reguleren met behulp van externe druk, hebben de onderzoekers de mogelijkheid aangetoond om de band-edge toestanden en de ladingsverdeling van de 2D halfgeleider heterostructuren, die voorheen onbereikbaar was.

“De overgang van banduitlijning op het organisch-anorganische grensvlak is intrinsiek niet goed opgelost bij kamertemperatuur vanwege de thermisch geactiveerde overdracht en herverdeling van bandranddragers”, legt Songhao Guo, een Ph.D. student aan HPSTAR. “Dus introduceren we een thermisch evenwichtsmodel op twee niveaus om de ladingsverdeling in de perovskietlagen en organische liganden te beschrijven en het verschil in energieniveau kan nauwkeurig worden bepaald door de in situ temperatuurafhankelijke PL-spectra aan te passen.”

De onderzoekers hebben ook een “pressure-gating” -strategie voorgesteld die de controle van meerdere emissietoestanden binnen een enkel materiaal mogelijk maakt.

Voor deze 2D-halogenide-perovskieten en vdWs-halfgeleiders die verschillende drukreacties van de bouweenheden vertonen, biedt drukverwerking niet alleen een effectieve en schone manier om hun roosters te moduleren, maar biedt het ook nieuwe mogelijkheden voor het bereiken van configureerbare elektronische eigenschappen met aanpasbare band-edge-toestanden en band uitlijningen.

Er wordt aangenomen dat de principes die in dit werk worden gepresenteerd, kunnen dienen als een blauwdruk voor het ontwerp, de productie en de fijnafstemming van vele andere functionele heterostructuren van halfgeleiders voor het realiseren van hoge prestaties door de band-edge-toestanden en de grensvlakladingsverdeling te manipuleren.