Kürzlich berichtete ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Liu Xinfeng vom National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) über die effiziente Phonon-unterstützte Upconversion-Lumineszenz in einem quasi-zweidimensionalen Perowskit-System.
Die Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte am 29. September.
Die Photonen-Upconversion ist ein physikalischer Prozess, bei dem die emittierte Photonenenergie größer ist als die absorbierte Photonenenergie. Die Aufwärtskonvertierung kann durch verschiedene Methoden erreicht werden, darunter nichtlineare Multiphotonenabsorption, Triplett-Triplett-Annihilation in organischen Molekülen, Energietransfer in mit Seltenerdmetallen dotierten Materialien und thermisch unterstützte Photonenabsorption. Unter ihnen ist die phononenunterstützte Aufwärtskonvertierung die theoretische und experimentelle Grundlage für die Kühlung von Festkörperlasern.
Allerdings ist die Frage, wie Phononen am Anti-Stokes-Upconversion-Prozess beteiligt sind und die Effizienz der Upconversion und den Energiegewinn verbessern, seit langem eine zentrale wissenschaftliche Frage auf diesem Gebiet.
In ihrer vorherigen Studie haben Lius Gruppe und ihre Mitarbeiter die Emission selbstgefangener Zustände durch die Konstruktion nanoskaliger Übergitterstrukturen erkannt, um die starke Elektron-Phonon-Kopplung zu verstärken, und vorgeschlagen, dass „organische“–„anorganische“ weiche Gitterstrukturen erwartet werden Plattform für die Untersuchung starker Elektron-Phonon-Kopplungseffekte.
Auf dieser Grundlage erreichten die Forscher in dieser Studie eine effiziente phononenunterstützte Aufwärtskonversionslumineszenz in einem quasi-zweidimensionalen Perowskitsystem aus organisch-anorganischem Weichgitter, indem sie weiches Gitter mit niedriger Dimensionalität kombinierten.
Sie fanden eine Phononen-Aktionszeit von etwa 1,2 ps und eine Anti-Stokes-Verschiebungsenergie von mehr als 200 meV. Darüber hinaus schlug das Team vor, den Ursprung der hohen Energiegewinne bei der Aufkonvertierung auf starke Gitterfluktuationen zurückzuführen, im Gegensatz zu den Phononenabsorptionsbildern in der klassischen Aufkonvertierungstheorie.
Darüber hinaus führte das Forschungsteam mikroskopische Messungen der transienten Absorption und Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie durch, um den effizienten ultraschnellen Aufwärtskonversionsprozess zu erklären. Die Bewegung des organischen Kations auf ps-Zeitskalen führt zu einer Verformung des gesamten Gitters, was zu schnellen Änderungen der Phonon-renormierten Elektron/Exziton-Energie führt. Dadurch erhalten die niederenergetischen Exzitonen ausreichend Energie, um Quasi-Gleichgewichtszustände (freie Exzitonen) zu erreichen, in denen sie strahlend rekombinieren können.
Daher wird die effiziente Aufwärtskonvertierung in quasi-2D-Perowskiten in der Störungstheorie nicht direkt auf die Absorption spezifischer Phononenmoden zurückgeführt. Stattdessen entsteht es durch die Veränderung der elektronischen Energie, die mit der ausgeprägten thermisch bedingten Verformung des gesamten Gitters oder alternativ durch die Bildung dynamischer Polaronen einhergeht. Die Bandenergieschwankung, die bei Raumtemperatur aufgrund der starken nicht störenden Wechselwirkung mit der Gitterverformung etwa ±180 meV erreicht, ermöglicht einen bemerkenswerten Energiegewinn bei der Aufwärtskonvertierung, der mit herkömmlichen Halbleitern nicht erreicht werden kann.
„Unsere Studie verdeutlicht die Zeitskala der Beteiligung von Chalkogenid-Phononen an der Aufwärtskonvertierung, vertieft das Verständnis des Elektron-Phonon-Kopplungsmechanismus und bietet eine neue Perspektive für die Gestaltung einer hocheffizienten Aufwärtskonvertierung“, sagte Prof. Liu.
Mehr Informationen:
Bo Wu et al., Aufdeckung der Mechanismen der effizienten Aufwärtskonversion in zweidimensionalen Perowskiten mit Anti-Stokes-Verschiebung bis zu 220 meV, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi9347