Các nhà nghiên cứu từ ETH Zurich, Empa và Stanford đã chụp được những bức ảnh chụp nhanh cấu trúc tinh thể của tinh thể nano perovskite khi nó bị biến dạng bởi các electron bị kích thích. Trước sự ngạc nhiên của họ, sự biến dạng đã làm thẳng cấu trúc tinh thể bị lệch thay vì làm cho nó trở nên rối loạn hơn.
Nhóm nghiên cứu quốc tế phát hiện ra rằng các electron bị kích thích (ở trung tâm của hình ảnh) có thể làm thẳng mạng tinh thể lệch của tinh thể nano perovskite. Tín dụng: Nuri Yasdani / ETH Zurich
Nhiều vấn đề khoa học và kỹ thuật có thể được giải quyết dễ dàng nếu có thể nhìn vào bên trong vật liệu và quan sát các nguyên tử cũng như electron của nó chuyển động trong thời gian thực. Trong trường hợp perovskites halogenua, một loại khoáng chất đã trở nên rất phổ biến trong những năm gần đây vì được sử dụng trong các công nghệ từ pin mặt trời đến công nghệ lượng tử, các nhà vật lý từ lâu đã cố gắng tìm hiểu các đặc tính quang học tuyệt vời của chúng.
Một nhóm các nhà nghiên cứu do Nuri Yazdani và Vanessa Wood tại ETH Zurich và Aaron Lindenberg tại Stanford dẫn đầu, cùng với các đồng nghiệp tại Empa ở Dübendorf, hiện đã đạt được tiến bộ đáng kể trong việc hiểu biết của chúng ta về perovskite bằng cách nghiên cứu chuyển động của các nguyên tử bên trong tinh thể nano trong một khoảng thời gian. độ phân giải vài phần tỷ giây. Gần đây họ đã công bố phát hiện của mình trên tạp chí Vật lý Tự nhiên .
Yazdani cho biết: “Perovskites Halide rất tốt cho nhiều ứng dụng quang điện tử”. “Nhưng về mặt nào đó, điều khó hiểu là làm thế nào loại vật liệu này có thể thể hiện những đặc tính quang học và điện tử nổi bật như vậy”. Perovskite là các khoáng chất có cùng loại cấu trúc tinh thể với canxi titanate (CaTiO 3 ), perovskite "nguyên bản".
Các nhà nghiên cứu biết rằng khi perovskite hấp thụ ánh sáng, các electron bị kích thích ở mức năng lượng cao hơn sẽ kết hợp mạnh mẽ với các phonon bên trong vật liệu. Phonon là những rung động tập thể, tương tự như sóng âm, của các nguyên tử trong tinh thể. Yazdani giải thích: “Thường người ta có thể coi vị trí trung bình của mỗi nguyên tử bên trong tinh thể là cố định, nhưng điều đó không còn khả thi nữa khi sự kích thích quang học của một electron dẫn đến sự tái tổ chức lớn của mạng tinh thể”. Do đó, câu hỏi mà các nhà nghiên cứu phải trả lời là: các electron bị kích thích trong perovskite làm thay đổi hình dạng của mạng tinh thể như thế nào?
Khi một photon được hấp thụ bởi perovskite, chất kích thích sinh ra sẽ làm thẳng mạng tinh thể bị lệch (trái). Các nhà nghiên cứu đã chụp nhanh quá trình đó bằng cách đo nhiễu xạ của xung điện tử rất ngắn ở các thời điểm khác nhau sau khi hấp thụ photon (phải). Tín dụng: Nuri Yasdani / ETH Zurich
Nhìn vào bên trong tinh thể nano
Để xem qua bên trong perovskite (formamidinium chì bromide) được tổng hợp tại Empa bởi Maryna Bodnarchuk và giáo sư ETH Maksym Kovalenko, các nhà nghiên cứu đã sử dụng cơ sở chùm tia nhiễu xạ electron cực nhanh tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Stanford (SLAC) tạo ra các xung điện tử rất ngắn kéo dài chỉ một trăm femto giây, hay một phần triệu của một phần triệu giây. Sau đó, những electron này chạm vào các tinh thể nano perovskite, có kích thước khoảng 10 nanomet và các electron nhiễu xạ được thu thập trên màn hình.
Vì electron là các hạt lượng tử hoạt động giống như sóng, nên sau khi bị nhiễu xạ từ các nguyên tử bên trong vật liệu, sóng electron giao thoa tăng cường hoặc triệt tiêu, tùy thuộc vào vị trí của các nguyên tử và hướng nhiễu xạ – giống như ánh sáng phát ra từ một khe đôi. Ngay cả những thay đổi nhỏ trong cấu trúc tinh thể cũng có thể được đo bằng cách này.
Các nhà nghiên cứu ETH đã sử dụng một tính năng đặc biệt của chùm tia SLAC để chụp ảnh nhanh cấu trúc tinh thể trong và sau khi hấp thụ một photon: bằng cách sử dụng cùng loại tia laser để tạo ra các photon và kích hoạt xung điện tử, họ có thể điều khiển thời gian đến của photon tại các tinh thể nano so với thời gian của các electron bằng cách thay đổi khoảng cách mà các photon phải di chuyển. Từ việc phân tích những bức ảnh chụp nhanh đó trong hàng trăm pico giây (phần tỷ giây), có thể thấy sự biến dạng của mạng tinh thể do các electron kích thích ảnh phát triển theo thời gian như thế nào.
Sự gia tăng đáng ngạc nhiên về tính đối xứng
Kết quả khiến các nhà nghiên cứu ngạc nhiên. Họ đã kỳ vọng sẽ nhìn thấy một sự biến dạng của mạng tinh thể mà lẽ ra sẽ dẫn đến sự giảm tính đối xứng của nó. Thay vào đó, họ quan sát thấy một sự thay đổi theo hướng tăng tính đối xứng – các electron bị kích thích đã làm thẳng cấu trúc tinh thể bị lệch của perovskite một chút.
Từ các tính toán mô hình, họ có thể suy ra rằng một số exiton – các cặp electron bị kích thích liên kết và các lỗ trống tích điện dương để lại do sự kích thích của chúng – có thể hợp tác để làm thẳng mạng tinh thể. Vì điều đó làm giảm tổng năng lượng của chúng nên các exiton bị thu hút lẫn nhau một cách hiệu quả.
Điều chỉnh các tính chất quang học của perovskites
Yazdani cho biết: “Hiểu được nguồn gốc của sự kết hợp electron-phonon sẽ giúp việc sản xuất perovskite với các đặc tính quang học cụ thể được thiết kế riêng cho các ứng dụng cụ thể trở nên dễ dàng hơn”. Ví dụ, các tinh thể nano perovskite để sử dụng trong màn hình TV thế hệ tiếp theo có thể được phủ trong một lớp vỏ bằng vật liệu khác để giảm sự liên kết electron-phonon và do đó làm giảm độ rộng phổ của ánh sáng phát ra. Điều này đã được một số đồng tác giả của bài báo Vật lý Tự nhiên chứng minh vào năm 2022 .
Ngoài ra, do tương tác hút giữa các exiton tương tự như cơ chế cho phép dòng điện chạy qua mà không bị thất thoát trong chất siêu dẫn, nên lực hút đó có thể được khai thác để tăng cường sự vận chuyển điện tử. Ngược lại, điều này có thể hữu ích cho việc chế tạo pin mặt trời dựa trên perovskites.
