Entdeckung einer verbesserten Gitterdynamik in einem einschichtigen Hybrid-Perowskit

Geschichtete Hybridperowskite weisen vielfältige physikalische Eigenschaften und außergewöhnliche Funktionalität auf; Aus materialwissenschaftlicher Sicht kann die Koexistenz von Gitterordnung und struktureller Unordnung jedoch das Verständnis solcher Materialien behindern. Die Gitterdynamik kann durch Dimensionsmanipulation anorganischer Gerüste und Wechselwirkungen mit molekularen Einheiten in einem noch unbekannten Prozess beeinflusst werden.

Um dieses Problem anzugehen, verwendeten Zhuquan Zhang und ein Team von Wissenschaftlern aus Chemie und Physik an der University of Pennsylvania, der University of Texas, Austin und dem Massachusetts Institute of Technology, USA, eine Kombination aus spontane Raman-Streuung, Terahertz-Spektroskopie Und Molekulardynamiksimulationen.

Die Forschungsergebnisse zeigten, wie die Strukturdynamik innerhalb und außerhalb des Gleichgewichts unerwartete Beobachtungsgrößen zur Unterscheidung ein- und doppelschichtiger Perowskite lieferte. Die Studie ist veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte.

Während sie in doppelschichtigen Perowskiten keine Schwingungskohärenz beobachteten, stellten sie fest, dass ein nicht resonanter Terahertz-Impuls einen langlebigen kohärenten Phononenmodus im einschichtigen System antreiben könnte. Basierend auf geschichteten Perowskiten führten die Ergebnisse zu ultraschneller Strukturtechnik und optischen Hochgeschwindigkeitsmodulatoren.

Hybrid-Perowskite

In den letzten zwei Jahrzehnten haben Materialwissenschaftler den Vorrang zweidimensionaler Hybridperowskite als natürliche, quantentopfähnliche Halbleiter gezeigt deutliche Lichtabsorption, große Lumineszenzquantenausbeute Und starke Exzitonenbindungsenergie. Diese Materialien weisen im Vergleich zu ihren 3D-Gegenstücken eine große chemische Variabilität und Strukturvielfalt auf und ihre Zusammensetzung kann durch Veränderung organischer Abstandskationen, anorganischer Netzwerke und oktaedrischer Schichten angepasst werden.

Die Schichten können auch eine Vielzahl entstehender Eigenschaften bereitstellen, darunter: Ferroelektrizität, Spinselektivität Und Multifunktionalität Dies kann durch das Zusammenspiel zwischen dem anorganischen Gittergerüst und organischen Kationen verstanden werden, die für dieses Ziel von entscheidender Bedeutung sind.

Forscher hatten zuvor mechanistische Studien durchgeführt, um herauszufinden, wie die Merkmale von Hybridgittern miteinander zusammenhängen strukturelle Störung. Es muss jedoch noch ermittelt werden, ob diese Eigenschaften bis zur Einschichtgrenze bestehen bleiben können.

In dieser neuen Arbeit stellten Zhang und Kollegen eine gemeinsame experimentelle und theoretische Studie vor, um den Ursprung der strukturellen Komplexität zweidimensionaler (2D) Hybrid-Perowskite aufzudecken. Mithilfe stationärer und ultraschneller Experimente identifizierten sie einzigartige Fingerabdrücke, um die Strukturdynamik von Hybridgittern beim Übergang von Quasi-2D zu 2D zu unterscheiden. Das Team rationalisierte die Forschungsergebnisse, indem es Berechnungen der Molekulardynamik auf atomarer Ebene verwendete, um das Hybridgitter im und außerhalb des Gleichgewichts zu verstehen.

Die Experimente

Das Team konzentrierte sich auf zwei prototypische zweidimensionale Hybridperowskite, die sich in der Anzahl der eckenformenden Oktaederschichten unterschieden. Eine Variante enthielt organische Spacer-Liganden, um die Oktaederschichten zu trennen, während der doppelschichtige Hybrid-Perowskit zusätzliche A-Stellen-Kationen enthielt, die kuboktaedrische Taschen aus acht Oktaedern besetzten.

Das Team verwendet spontane Raman-Streuung zur Überwachung niederenergetischer kollektiver Reaktionen und struktureller Unordnung, um so die Gitterdynamik im thermischen Gleichgewicht zu untersuchen. Die Wissenschaftler charakterisierte die Raman-SpektrenBasierend auf den stationären Raman-Daten erstellten sie dann eine thermische Gleichgewichtsansicht der strukturellen Komplexität in zweidimensionalen Hybridperowskiten und zeigten eine deutlich reduzierte strukturelle Unordnung.

Die Raman-Daten verdeutlichten das Verhalten von Bromid-Hybrid-Perowskite Dies soll in starkem Kontrast zu den Iodid-2D-Hybridperowskiten stehen und einen Benchmark-Vergleich der Oktaederdynamik beim Übergang von der Doppelschicht- zur Einzelschichtstruktur ermöglichen.

Zeitliche Entwicklung der Gitterantwort und Molekulardynamiksimulationen.

Anschließend verfolgte das Team die zeitliche Entwicklung der Gitterreaktion auf ultraschnellen Zeitskalen, um zusätzliche Einblicke in die Strukturdynamik zu gewinnen, und trennte die kollektiven Moden davon dynamische Störung. Benutzen optische Kerr-Effekt-Spektroskopielernten Zhang und das Team Gitter- und molekulare Neuorientierungsdynamik in Hybridperowskiten. Die Signale wurden dadurch erheblich beeinträchtigt nichtlinearer Effekt der Lichtausbreitung.

Dann mit Terahertzfeld-induzierte Kerr-Effekt-SpektroskopieSie überwachten das Verhalten des Gitters in Echtzeit, um mehrere Vorteile zu erzielen; Beispielsweise entsprachen die Photonen der Terahertz-Frequenz der natürlichen Energieskala niederenergetischer Schwingungen anorganischer Gerüste und störten so die Gitterfreiheitsgrade.

Die Materialwissenschaftler variierten das elektrische Feld von Terahertz-Pulsen; um die an den Kern gebundene Elektronenwolke stark zu verdrängen und riesige Polarisierbarkeitsreaktionen zu induzieren, die mit Pumpimpulsen im optischen Frequenzbereich nicht zugänglich waren. Um tiefere Einblicke in die Natur sowohl der thermischen als auch der kohärenten Dynamik zu erhalten, führten die Wissenschaftler Ab-initio-Simulationen der Molekulardynamik durch und simulierten Gleichgewichtszustände durch Berechnung spontaner Raman-Reaktionen.

Ausblick

Auf diese Weise kombinierten Zhuquan Zhang und Kollegen spektroskopische Messungen mit Molekulardynamiksimulationen, um zu verstehen, wie einschichtige Hybrid-Perowskite eine polarisierbare Gitterreaktion erzeugten, die über die der doppelschichtigen Perowskit-Gegenstücke hinausging. Die zweidimensionalen Hybridperowskite bieten vielversprechende Kandidaten für die Herstellung rein optischer, breitbandiger refraktiver Modulatoren Entwicklung fortschrittlicher optischer Methoden.

Die Studienergebnisse verdeutlichten den Einfluss maßgeschneiderter Terahertz-Lichtanregung auf die Untersuchung von Hybridgittern, die ein komplexes Zusammenspiel von molekularer und ionischer Dynamik aufweisen. Dieser Ansatz kann integriert werden, um zusätzlich komplexe Strukturmaterialien zu erforschen, einschließlich künstlich hergestellter Heterostrukturen, um die Tür zur Regulierung entstehender Eigenschaften zu öffnen einzigartige Funktionalitäten erreichen mit Licht.

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