Ongebruikelijke bandgap-renormalisatie in 2D anorganische loodhalogenide perovskiet nanobloedplaatjes

Vanwege de hoge kwantumopbrengsten, de grote absorptiedoorsnede, de uitstekende transportprestaties van de drager en de smalbandemissie, hebben anorganische loodhalogenide-perovskiet-halfgeleiders steeds meer aandacht gekregen voor hun toepassingen in zonnecellen, LED’s, laserapparaten, enz. De fysieke oorsprong begrijpen van temperatuurafhankelijkheid van bandgap in anorganische loodhalogenide perovskieten is essentieel en belangrijk.

In een studie gepubliceerd in Geavanceerde wetenschap, ontdekte de onderzoeksgroep onder leiding van prof. Chen Xueyuan van het Fujian Institute of Research on the Structure of Matter (FJIRSM) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) dat de temperatuurafhankelijkheid van bandgap in CsPbBr₃ perovskieten is variabel met materiële dimensionaliteit.

De onderzoekers voerden een vergelijkend onderzoek uit naar de temperatuurafhankelijke bandgap in quasi-3D bulkachtige CsPbBr₃ nanokristallen (NC’s) met zwakke kwantumopsluiting en 2D 2-monolaag-dikke CsPbBr₃ nanobloedplaatjes (2-ML NPL’s) met sterke kwantumopsluiting.

Om de bandgap-verschuiving nauwkeuriger te kunnen bepalen, hebben de onderzoekers de bandgap-energie uitgebreid geëxtraheerd door de absorptiecoëfficiënt nabij de bandrand aan te passen aan het Elliot-model. De geëxtraheerde bandgap-waarde van CsPbBr₃ 2-ML NPL’s vertoonden een aanvankelijke blauwverschuiving en vervolgens een roodverschuivingstrend met dalende temperatuur van 290 tot 10 K, in schril contrast met de monotone roodverschuiving die gewoonlijk wordt waargenomen in CsPbBr₃ bulkachtige NC’s.

Vanuit theoretisch oogpunt komt de renormalisatie van de bandgap in wezen voort uit de thermische uitzetting van het rooster en de elektron-fonon-interacties. Voor een grote verscheidenheid aan halfgeleidermaterialen en met name de op lood gebaseerde verbindingen, werd echter geen rekening gehouden met de bijdrage van thermische uitzetting aan de renormalisatie van de bandgap, omdat deze een relatief kleine omvang had met betrekking tot de bijdrage van elektron-fonon-interacties.

Vanwege de brekende translationele periodiciteit in de dikterichting van 2D CsPbBr₃ 2-ML NPL’s, de elektronen- en fononstructuren, en bijgevolg de bandgap-renormalisatie die voortkomt uit elektron-fonon-interacties, zijn geneigd opmerkelijk te veranderen ten opzichte van de quasi-3D CsPbBr₃ NC’s tegenhangers. Het sterke kwantumbegrenzingseffect en de verminderde diëlektrische afscherming vanwege de lage diëlektrische constante van organische oppervlakteliganden in CsPbBr₃ 2-ML NPL’s beïnvloeden ook de elektron-fonon-interacties.

De onderzoekers gebruikten het Bose-Einstein-model met twee oscillatoren om de effectieve elektron-fonon-interactiecoëfficiënt te bepalen door de bandgap aan te passen als een functie van de temperatuur. De resultaten toonden een significant groter gewicht van de bijdrage van elektron-optische fonon-interactie aan bandgap-renormalisatie in de NPL’s dan die in de NC’s die de blauwverschuiving-roodverschuiving-crossover van bandgap in NPL’s verklaren.

Deze studie biedt nieuwe inzichten in de cruciale rol van elektron-fonon-interacties in de bandgap-renormalisatie voor 2D anorganische loodhalogenide-perovskieten, wat de weg kan effenen voor verder onderzoek naar de optische en opto-elektronische eigenschappen van 2D-perovskiet-nanomaterialen.