Erforschung des Ursprungs der Polaronenbildung in Halogenid-Perowskiten

Halogenid-Perowskite sind eine Materialklasse, deren Grundstruktur der von mineralischen Perowskiten ähnelt, wobei die X-Stellen jedoch von Halogenidionen besetzt sind, während die A- und B-Stellen von Kationen besetzt sind. Diese Materialien haben verschiedene vorteilhafte Eigenschaften, die sie zu vielversprechenden Kandidaten für die Entwicklung von Photovoltaik (PVs), Leuchtdioden (LEDs) und anderen optoelektronischen Geräten machen.

Neuere Studien haben interessante Erkenntnisse über Halogenid-Perowskite und ihre optoelektronischen Eigenschaften geliefert. Der Ursprung der bemerkenswerten Trägerlebensdauern dieser Materialien ist jedoch noch nicht geklärt.

Forscher der University of Texas in Austin führten kürzlich eine Studie durch, die neues Licht auf den Ursprung dieser außergewöhnlichen Trägerlebensdauern werfen sollte. Ihre Papierveröffentlicht in PNASzeigt, dass Halogenid-Perowskite einer unkonventionellen Elektron-Phonon-Physik unterliegen, die zur Bildung einer neuen Klasse von Quasiteilchen führt, die die Autoren „topologische Polaronen“ nannten.

„Unsere Motivation war experimenteller Natur“, sagten Jon Lafuente, Chao Lian und Feliciano Giustino, Co-Autoren des Artikels, gegenüber Phys.org.

„Halogenid-Perowskite sind aufgrund ihrer außergewöhnlichen optoelektronischen Eigenschaften, wie beispielsweise langer Trägerlebensdauer und Diffusionslängen, außergewöhnliche Materialien für Anwendungen in der Photovoltaik und in lichtemittierenden Geräten. Einige der fortschrittlichsten experimentellen Techniken wurden auf diese Materialien angewendet, um Licht in den Ursprung dieser ungewöhnlichen Eigenschaften zu bringen und den Ursprung ihrer außergewöhnlichen Energieumwandlungseffizienz zu klären.“

In jüngsten Experimenten gesammelte Erkenntnisse deuten darauf hin, dass starke Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Schwingungen im Atomgitter von Halogenid-Perowskiten zu deren bemerkenswerten Trägerlebensdauern und Energieumwandlungseffizienzen beitragen könnten. Insbesondere haben einige Forscher vorgeschlagen, dass der Schlüsselprozess, der diesen Eigenschaften zugrunde liegt, die Bildung von Polaronen sein könnte, lokalisierten Quasiteilchen, die aus Elektronen bestehen, die an Verzerrungen des Kristallgitters gekoppelt sind.

„Das Fehlen geeigneter theoretischer Methoden, die die volle Komplexität dieser Materialien und Quasiteilchen berücksichtigen, hat uns bisher daran gehindert, die Bildung von Polaronen in Halogenid-Perowskiten auf atomarer Ebene zu verstehen“, erklärten Lafuente und Giustino.

„Unsere Gruppe hat vor kurzem einen neuartigen Hochleistungsrechneransatz entwickelt, um die Bildung von Polaronen zu untersuchen, der die Wechselwirkung zwischen den elektronischen Trägern und den Gitterschwingungen einbezieht. ausgehend von den ersten Prinzipien der Quantenmechanik.“

In den letzten Jahren haben Lafuente, Lian, Giustino und ihre Kollegen versucht, die Implementierung ihrer vorgeschlagenen Methodik mithilfe hochleistungsfähiger Codes zu erleichtern, die sie dann auf einigen der größten Supercomputer der Welt ausführen könnten (d. h. dem TACC Und NERSC-Computer). Im Rahmen ihrer jüngsten Studie wollten sie diese Methoden gezielt einsetzen, um die Bildung von Polaronen in Halogenid-Perowskiten zu untersuchen.

„Mit diesen Methoden konnten wir Simulationszellen im Bereich von einigen Dutzend bis fast einer halben Million Atome berücksichtigen, was noch nie zuvor erreicht wurde“, sagten Lafuente und Giustino.

„Unsere Berechnungen führten zu mehreren unerwarteten Ergebnissen. Erstens stellten wir fest, dass Polaronen in Halogenid-Perowskiten viele verschiedene Formen annehmen können; sie können sehr groß sein und mehrere Nanometer lang sein, oder sie können sehr klein sein und sich um ein einzelnes Wismutatom herum lokalisieren.“

Die von Lafuente durchgeführten Simulationen zeigten auch, dass Polaronen in Halogenid-Perowskiten sogar periodische Verzerrungen bilden können, die sich bei ausreichend hoher Dichte als Ladungsdichtewellen manifestieren. Bemerkenswerterweise schienen sich die verschiedenen Arten von Polaronen, die sie in ihren Simulationen beobachteten, in unterschiedlichen Zeitskalen zu bilden.

„Wir sagen zum Beispiel voraus, dass sich bei Beleuchtung zunächst große Polaronen bilden und diese sich dann in kleine Polaronen umwandeln“, sagten Lafuente und Giustino.

„Unsere Vorhersagen stimmen bemerkenswert gut mit den verfügbaren ultraschnellen Pump-Probe-Spektroskopie-Experimenten überein. Die vielleicht überraschendste Entdeckung ist jedoch, dass Polaronen in Halogenid-Perowskiten mit einer „Drehung“ einhergehen; die Atomverschiebungen um die Polaronen bilden Wirbelmuster und die zugehörigen Vektorfelder haben eine gut definierte Topologie, die durch quantisierte topologische Zahlen beschrieben werden kann.“

Die von den Forschern entdeckten topologischen Strukturen zeigten verblüffende Ähnlichkeiten mit denen von Skyrmionen, Meronen und Bloch-Punkten – drei Arten faszinierender Quasiteilchen, die zuvor in magnetischen Systemen beobachtet wurden. Die Existenz nichtmagnetischer Polaronen mit Eigenschaften, die denen magnetischer Quasiteilchen ähneln, war zuvor noch nie beschrieben worden. Daher könnte diese Studie neue Wege für zukünftige Untersuchungen eröffnen und möglicherweise zu spannenden Entdeckungen führen.

„Es gibt zwei Hauptrichtungen, die wir jetzt unbedingt verfolgen wollen“, sagten Lafuente und Giustino. „Einerseits sagen uns diese Ergebnisse zwar ein detailliertes Bild der Polaronen in Halogenid-Perowskiten auf atomarer Ebene, aber sie sagen uns nicht genau, wie diese Quasiteilchen mit Licht interagieren oder wie sie sich durch das Material ausbreiten. Wir möchten Methoden entwickeln, um den Transport und die optischen Eigenschaften dieser Polaronen genauer vorherzusagen.“

Durch die Entwicklung neuer Ansätze zur Vorhersage der optischen Eigenschaften von Polaronen in Halogenid-Perowskiten hoffen die Forscher, neue physikalische Phänomene zuverlässig vorhersagen und ihren Ursprung erklären zu können. Gleichzeitig wollen sie untersuchen, inwieweit sich ihre Erkenntnisse auf verschiedene Materialien übertragen lassen.

„Sind topologische Polaronen einzigartig bei Halogenid-Perowskiten oder können sie sich auch in anderen Materialien bilden?“, fügten Lafuente und Giustino hinzu.

„Welche physikalischen Hauptbestandteile sind für die Bildung topologischer Polaronen erforderlich? Können wir Materialparameter, z. B. über Spannung, chemische Zusammensetzung oder Licht, anpassen, um die topologische Ladung und Helizität von Polaronen zu optimieren?

„Dies sind einige der größeren Fragen, die wir in Zukunft zu beantworten versuchen werden. Letztendlich könnte die Entdeckung topologischer Polaronen völlig neue Wege bei der Manipulation von Quanteninformationen über neuartige nicht-klassische Freiheitsgrade eröffnen.“

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