Forscher der Rice University wussten bereits, dass die Atome in Perowskiten positiv auf Licht reagieren. Jetzt können sie genau sehen, wie sich diese Atome bewegen.
Ein Durchbruch in der Visualisierung unterstützt ihre Bemühungen, jeden möglichen Nutzen aus Perowskit-basierten Materialien herauszuholen, einschließlich Solarzellen, ein langjähriges Projekt, das erst kürzlich einen Fortschritt gebracht hat, um die Geräte weitaus haltbarer zu machen.
Eine Studie veröffentlicht in Naturphysik beschreibt die erste direkte Messung der Strukturdynamik unter lichtinduzierter Anregung in 2D-Perowskiten. Perowskite sind Schichtmaterialien mit wohlgeordneten Kristallgittern. Sie sind hocheffiziente Lichtsammler, die für den Einsatz als Solarzellen, Fotodetektoren, Fotokatalysatoren, Leuchtdioden, Quantenemitter und mehr erforscht werden.
„Die nächste Grenze bei Geräten zur Umwandlung von Licht in Energie ist die Ernte heißer Träger“, sagte Aditya Mohite von der Rice University, ein korrespondierender Autor der Studie. „Studien haben gezeigt, dass heiße Ladungsträger in Perowskit bis zu 10–100 Mal länger leben können als in klassischen Halbleitern. Die Mechanismen und Konstruktionsprinzipien für die Energieübertragung und wie sie mit dem Gitter interagieren, sind jedoch nicht verstanden.“
Heiße Ladungsträger sind kurzlebige, hochenergetische Ladungsträger, entweder Elektronen für negative Ladungen oder Elektronen-„Löcher“ für positive Ladungen, und die Fähigkeit, ihre Energie zu ernten, würde es Lichtsammelgeräten ermöglichen, „die thermodynamische Effizienz zu übertreffen“, sagte Mohite , außerordentlicher Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der George R. Brown School of Engineering von Rice.
Mohite und drei Mitglieder seiner Forschungsgruppe, der leitende Wissenschaftler Jean-Christophe Blancon und die Doktoranden Hao Zhang und Wenbin Li, arbeiteten mit Kollegen am SLAC National Accelerator Laboratory, um zu sehen, wie sich Atome in einem Perowskit-Gitter neu anordnen, wenn ein heißer Ladungsträger darin erzeugt wird ihre Mitte. Sie visualisierten die Gitterreorganisation in Echtzeit mithilfe ultraschneller Elektronenbeugung.
„Wann immer Sie diese weichen Halbleiter Reizen wie elektrischen Feldern aussetzen, passieren interessante Dinge“, sagte Mohite. „Wenn Sie Elektronen und Löcher erzeugen, neigen sie dazu, auf ungewöhnliche und sehr starke Weise an das Gitter zu koppeln, was bei klassischen Materialien und Halbleitern nicht der Fall ist.
„Also gab es eine grundlegende physikalische Frage“, sagte er. „Können wir diese Wechselwirkungen visualisieren? Können wir sehen, wie die Struktur tatsächlich in sehr schnellen Zeitskalen reagiert, wenn Sie Licht auf dieses Material werfen?“
Die Antwort war ja, aber nur mit starkem Input. SLACs Anlage für ultraschnelle Elektronenbeugung (MeV-UED) im Megaelektronenvoltbereich ist einer der wenigen Orte auf der Welt mit gepulsten Lasern, die in der Lage sind, das Elektron-Loch-Plasma in Perowskiten zu erzeugen, das benötigt wird, um aufzudecken, wie sich die Gitterstruktur in weniger als verändert hat eine Milliardstel Sekunde als Reaktion auf einen heißen Träger.
„Dieses Experiment funktioniert so, dass man einen Laser durch das Material schießt und dann einen Elektronenstrahl sendet, der mit einer sehr kurzen Zeitverzögerung daran vorbeigeht“, erklärte Mohite. „Sie beginnen, genau das zu sehen, was Sie in einem TEM-Bild (Transmissionselektronenmikroskop) sehen würden. Mit den hochenergetischen Elektronen am SLAC können Sie Beugungsmuster von dickeren Proben sehen, und das ermöglicht es Ihnen, zu überwachen, was mit diesen Elektronen und Löchern passiert und wie sie mit dem Gitter interagieren.“
Die Experimente am SLAC erzeugten Vorher-Nachher-Beugungsmuster, die Mohites Team interpretierte, um zu zeigen, wie sich das Gitter veränderte. Sie fanden heraus, dass sich das Gitter, nachdem es durch Licht angeregt wurde, entspannte und sich buchstäblich in nur einer Pikosekunde oder einer Billionstel Sekunde aufrichtete.
Zhang sagte: „Es gibt eine subtile Neigung der Perowskit-Oktaeder, die diese vorübergehende Gitterreorganisation in Richtung einer höheren symmetrischen Phase auslöst.“
Durch den Nachweis, dass ein Perowskit-Gitter als Reaktion auf Licht plötzlich weniger verzerrt werden kann, zeigte die Forschung, dass es möglich sein sollte, abzustimmen, wie Perowskit-Gitter mit Licht interagieren, und schlug einen Weg vor, um die Abstimmung zu erreichen.
Li sagte: „Dieser Effekt ist sehr abhängig von der Art der Struktur und der Art des organischen Spacer-Kations.“
Es gibt viele Rezepte zur Herstellung von Perowskiten, aber alle enthalten organische Kationen, eine Zutat, die als Abstandshalter zwischen den halbleitenden Schichten des Materials fungiert. Durch das Ersetzen oder subtile Ändern organischer Kationen könnten die Forscher die Gittersteifigkeit maßschneidern, sie nach oben oder unten wählen, um zu verändern, wie das Material auf Licht reagiert, sagte Li.
Mohite sagte, die Experimente zeigten auch, dass die Abstimmung des Gitters eines Perowskits seine Wärmeübertragungseigenschaften verändert.
„Was allgemein erwartet wird, ist, dass wenn man Elektronen auf einem sehr hohen Energieniveau anregt, sie ihre Energie an das Gitter verlieren“, sagte er. „Ein Teil dieser Energie wird in einen beliebigen Prozess umgewandelt, aber ein Großteil davon geht als Wärme verloren, was sich im Beugungsmuster als Intensitätsverlust zeigt.
„Das Gitter erhält mehr Energie aus thermischer Energie“, sagte Mohite. „Das ist der klassische Effekt, der erwartet wird und als Debye-Waller-Faktor bekannt ist. Aber weil wir jetzt genau wissen, was in jeder Richtung des Kristallgitters passiert, sehen wir, dass das Gitter kristalliner oder geordneter wird . Und das ist völlig kontraintuitiv.“
Ein besseres Verständnis dafür, wie aufgeregte Perowskite mit Hitze umgehen, sei ein Bonus der Forschung, sagte er.
„Da wir Geräte immer kleiner machen, ist das Wärmemanagement eine der größten Herausforderungen aus Sicht der Mikroelektronik“, sagte Mohite. „Das Verständnis dieser Wärmeerzeugung und wie sie durch Materialien transportiert wird, ist wichtig.
„Wenn Leute über das Stapeln von Geräten sprechen, müssen sie in der Lage sein, Wärme sehr schnell zu extrahieren“, sagte er. „Während wir zu neuen Technologien übergehen, die weniger Strom verbrauchen und weniger Wärme erzeugen, werden uns diese Arten von Messungen ermöglichen, direkt zu untersuchen, wie Wärme fließt.“
Mehr Informationen:
Hao Zhang et al, Ultraschnelle Relaxation der Gitterverzerrung in zweidimensionalen Perowskiten, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01903-6