Découverte d’une dynamique de réseau améliorée dans une pérovskite hybride monocouche

Des chercheurs utilisent un ordinateur quantique pour identifier un candidat

Les pérovskites hybrides en couches présentent des propriétés physiques diverses et une fonctionnalité exceptionnelle ; cependant, du point de vue de la science des matériaux, la coexistence de l’ordre du réseau et du désordre structurel peut entraver la compréhension de ces matériaux. La dynamique du réseau peut être affectée par l’ingénierie dimensionnelle des structures inorganiques et les interactions avec les fragments moléculaires dans un processus qui reste inconnu.

Pour résoudre ce problème, Zhuquan Zhang et une équipe de scientifiques en chimie et en physique de l’Université de Pennsylvanie, de l’Université du Texas à Austin et du Massachusetts Institute of Technology, aux États-Unis, ont utilisé une combinaison de diffusion Raman spontanée, spectroscopie térahertz et simulations de dynamique moléculaire.

Les résultats de la recherche ont révélé comment la dynamique structurelle à l’intérieur et à l’extérieur de l’équilibre a fourni des observables inattendus pour différencier les pérovskites à une et deux couches. L’étude est publiée dans Avancées scientifiques.

Bien qu’ils n’aient pas observé de cohérence vibrationnelle dans les pérovskites à double couche, ils ont noté la possibilité qu’une impulsion térahertz hors résonance puisse piloter un mode phonon cohérent à longue durée de vie dans le système à une seule couche. Basés sur des pérovskites en couches, les résultats ont abouti à une ingénierie structurelle ultrarapide et à des modulateurs optiques à grande vitesse.

Pérovskites hybrides

Au cours des deux dernières décennies, les scientifiques des matériaux ont montré la préséance des pérovskites hybrides bidimensionnelles en tant que semi-conducteurs naturels de type puits quantique avec absorption lumineuse marquée, grand rendement quantique de luminescence et forte énergie de liaison aux excitons. Ces matériaux présentent une large gamme de variabilité chimique et de diversité structurelle par rapport à leurs homologues 3D, et leur composition peut être ajustée en modifiant les cations espaceurs organiques, les réseaux inorganiques et les couches octaédriques.

Les couches peuvent également fournir une multitude de propriétés émergentes, notamment ferroélectricité, sélectivité de rotation et multifonctionnalité cela peut être compris par l’interaction entre la structure du réseau inorganique et les cations organiques qui sont essentiels à cet objectif.

Les chercheurs avaient déjà mené des études mécanistiques pour révéler comment les caractéristiques des réseaux hybrides sont associées à désordre structurel. Cependant, il reste à déterminer si ces propriétés peuvent persister jusqu’à la limite d’une seule couche.

Dans ce nouveau travail, Zhang et ses collègues ont présenté une étude expérimentale et théorique conjointe pour découvrir l’origine de la complexité structurelle des pérovskites hybrides bidimensionnelles (2D). Ils ont utilisé des expériences en régime permanent et ultrarapides pour identifier des empreintes digitales uniques afin de distinguer la dynamique structurelle des réseaux hybrides lors du passage de la quasi-2D à la 2D. L’équipe a rationalisé les résultats de la recherche en utilisant des calculs de dynamique moléculaire au niveau atomique pour comprendre le réseau hybride en équilibre et hors équilibre.

Les expériences

L’équipe s’est concentrée sur deux pérovskites hybrides bidimensionnelles prototypiques qui différaient par le nombre de couches octaédriques formant des coins. Une variante contenait des ligands espaceurs organiques pour séparer les couches octaédriques, tandis que la pérovskite hybride à double couche contenait des cations supplémentaires du site A qui occupaient des poches cuboctaédriques formées par huit octaèdres.

L’équipe a utilisé diffusion Raman spontanée surveiller les réponses collectives à basse énergie et les désordres structurels afin d’étudier ainsi la dynamique du réseau en équilibre thermique. Les scientifiques caractérisé les spectres Ramanpuis, sur la base des données Raman en régime permanent, ils ont formé une vue d’équilibre thermique de la complexité structurelle dans les pérovskites hybrides bidimensionnelles pour montrer un désordre structurel considérablement réduit.

Les données Raman ont mis en évidence le comportement de pérovskites hybrides de bromure être en contraste frappant avec les pérovskites hybrides 2D à iodure pour établir une comparaison de référence de la dynamique octaédrique qui est passée de la structure double couche à la structure monocouche.

Evolution temporelle de la réponse du réseau et simulations de dynamique moléculaire.

L’équipe a ensuite suivi l’évolution temporelle de la réponse du réseau à des échelles de temps ultrarapides pour obtenir des informations supplémentaires sur la dynamique structurelle et séparer les modes collectifs de trouble dynamique. En utilisant spectroscopie optique à effet KerrZhang et l’équipe ont étudié dynamique de réorientation de réseau et moléculaire dans les pérovskites hybrides. Les signaux ont été considérablement affectés par le effet non linéaire de la propagation de la lumière.

Puis en utilisant Spectroscopie à effet Kerr induite par un champ térahertz, ils ont surveillé le comportement du réseau en temps réel pour offrir plusieurs avantages ; par exemple, les photons de fréquence térahertz correspondaient à l’échelle d’énergie naturelle des vibrations de basse énergie des structures inorganiques pour perturber les degrés de liberté du réseau.

Les scientifiques des matériaux ont varié le champ électrique des impulsions térahertz ; pour déplacer fortement le nuage d’électrons lié au noyau pour induire des réponses de polarisabilité géantes qui étaient inaccessibles avec des impulsions de pompe dans la gamme de fréquences optiques. Pour obtenir des informations plus approfondies sur la nature de la dynamique thermique et cohérente, les scientifiques ont effectué des simulations de dynamique moléculaire ab initio et simulé des états d’équilibre en calculant des réponses Raman spontanées.

Perspectives

De cette manière, Zhuquan Zhang et ses collègues ont combiné des mesures spectroscopiques avec des simulations de dynamique moléculaire pour comprendre comment les pérovskites hybrides monocouches généraient une réponse de réseau polarisable, au-delà des homologues pérovskites à double couche. Les pérovskites hybrides bidimensionnelles offrent des candidats prometteurs pour réaliser des modulateurs réfractifs à large bande entièrement optiques. développer des méthodes optiques avancées.

Les résultats de l’étude ont mis en évidence l’impact de l’excitation lumineuse térahertz sur mesure pour étudier les réseaux hybrides qui présentent une interaction complexe de dynamique moléculaire et ionique. Cette approche peut être intégrée pour explorer des matériaux structurels plus complexes, notamment des hétérostructures artificiellement conçues, pour ouvrir la porte à la régulation des propriétés émergentes et accéder à des fonctionnalités uniques avec lumière.

Plus d’information:
Zhuquan Zhang et al, Découverte d’une dynamique de réseau améliorée dans une pérovskite hybride monocouche, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adg4417

Zhipei Sun et al, Modulateurs optiques avec matériaux en couches 2D, Photonique naturelle (2016). DOI : 10.1038/nphoton.2016.15

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