Matter: Гибридные перовскиты прокладывают путь к новым лазерам и светодиодам

Исследователи разработали методику создания слоистых гибридных перовскитов, LHP, на атомарном уровне. Это позволит производить материалы для печатных светодиодов и лазеров нового поколения, а также для фотоэлектрических устройств.

Перовскиты, которые определяются своей кристаллической структурой, имеют желаемые оптические, электронные и квантовые свойства.

LHP состоят из тонких листов полупроводникового материала перовскита, разделённых тонкими органическими слоями. LHP можно создать в виде тонких плёнок, состоящих из нескольких листов перовскита и органических слоёв-разделителей. Эти материалы могут эффективно преобразовывать электрический заряд в свет, что делает их перспективными для использования в светодиодах, лазерах и фотонных интегральных схемах нового поколения.

Исследователи давно интересуются LHP. Однако раньше было мало понимания, как создавать эти материалы с определёнными эксплуатационными характеристиками.

Квантовые ямы — это листы полупроводникового материала между разделительными слоями. Именно они формируются в LHP, — говорит Арам Амассиан, автор-корреспондент статьи о работе и профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Северная Каролина.

Понимание распределения размеров квантовых ям важно, потому что энергия перетекает от высокоэнергетических структур к низкоэнергетическим на молекулярном уровне.

Профессор физики в NC State Кенан Гюндогду говорит, что энергия квантового колодца толщиной в два атома выше, чем у колодца в пять атомов. Чтобы энергия протекала эффективно, нужны ямы в три и четыре атома.

Амассиан добавляет, что при изучении LHP возникала аномалия: размеры квантовых ям различались в зависимости от того, какой метод применялся — рентгеновская дифракция или оптическая спектроскопия.

Амассиан говорит, что с помощью дифракции можно определить толщину квантовых ям в два атома и наличие объёмного кристалла. А спектроскопия позволяет узнать толщину квантовых ям — в два, три или четыре атома, а также о наличии трёхмерной объёмной фазы.

У ученых возникли два вопроса:

1. Почему есть несоответствие между результатами рентгеновской дифракции и оптической спектроскопии?
2. Как контролировать размер и распределение квантовых ям?

Исследователи провели серию экспериментов и выяснили, что нанопластинки играют ключевую роль в формировании слоистых материалов.

Амассиан пояснил:

Нанопластинки — это отдельные листы перовскита, которые образуются на поверхности раствора для создания LHP. Они служат шаблонами для слоёв материала под ними.

Толщина нанопластинок постоянно растёт, они становятся нестабильными и превращаются в трёхмерный кристалл. При этом меняется и структура слоёв под ними: например, когда толщина нанопластинки достигает двух атомов, формируется квантовая яма такой же толщины.

Это открытие позволило решить давнюю проблему: почему дифракция рентгеновских лучей и оптическая спектроскопия давали разные результаты?

Дифракция обнаруживает укладку листов, но не видит нанопластинки. А оптическая спектроскопия обнаруживает изолированные листы.

Мы обнаружили, что можем остановить рост нанопластинок контролируемым способом. Для этого нужно регулировать размер и распределение квантовых ям в плёнках LHP. Так мы добьёмся превосходных энергетических каскадов. Это значит, что материал будет эффективно и быстро направлять заряды и энергию для лазеров и светодиодов.

Исследователи обнаружили, что нанопластинки важны для формирования перовскитовых слоёв в LHPs. Они решили проверить, можно ли использовать нанопластинки для создания структуры и свойств других перовскитов.

Милад Аболхасани, соавтор статьи и профессор ALCOA по химической и биомолекулярной инженерии в NC State, говорит, что нанопластинки играют аналогичную роль в других перовскитах и могут улучщать их фотоэлектрические характеристики и стабильность.

Результаты опубликованы в журнале Matter.

Иллюстраця: нейросеть

11.10.2024