Các thí nghiệm trực quan hóa cách cấu trúc perovskite 2D thay đổi khi bị kích thích
bởi Đại học Rice
Ảnh: Unsplash/CC0
Các nhà nghiên cứu của Đại học Rice đã biết các nguyên tử trong perovskite phản ứng thuận lợi với ánh sáng. Bây giờ họ có thể thấy chính xác cách các nguyên tử đó di chuyển.
Một bước đột phá trong hình ảnh hóa hỗ trợ nỗ lực của họ trong việc loại bỏ mọi tiện ích có thể giảm từ các vật liệu dựa trên perovskite, bao gồm cả pin mặt trời, một dự án lâu dài chỉ mới mang lại một bước tiến gần đây để làm cho các thiết bị bền hơn rất nhiều.
Một nghiên cứu được công bố trên Nature Physics mô tả chi tiết phép đo trực tiếp đầu tiên về động lực cấu trúc dưới sự kích thích do ánh sáng gây ra trong perovskite 2D. Perovskites là vật liệu phân lớp có mạng tinh thể được sắp xếp hợp lý. Chúng là những thiết bị thu hoạch ánh sáng hiệu quả cao đang được khám phá để sử dụng làm pin mặt trời, bộ tách sóng quang, chất xúc tác quang, đi-ốt phát quang, bộ phát lượng tử, v.v.
Aditya Mohite của Đại học Rice, một tác giả tương ứng của nghiên cứu cho biết: “Biên giới tiếp theo trong các thiết bị chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng là thu hoạch các chất mang nóng. "Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng chất mang nóng trong perovskite có thể tồn tại lâu hơn gấp 10–100 lần so với chất bán dẫn cổ điển. Tuy nhiên, cơ chế và nguyên tắc thiết kế cho sự truyền năng lượng và cách chúng tương tác với mạng vẫn chưa được hiểu rõ."
Các hạt tải điện nóng là các hạt tải điện năng lượng cao, tồn tại trong thời gian ngắn, có thể là điện tử cho điện tích âm hoặc "lỗ trống" điện tử cho điện tích dương và khả năng thu năng lượng của chúng sẽ cho phép các thiết bị thu ánh sáng "vượt qua hiệu suất nhiệt động lực học", Mohite cho biết , phó giáo sư kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học tại Trường Kỹ thuật George R. Brown của Rice.
Mohite và ba thành viên trong nhóm nghiên cứu của ông, nhà khoa học cao cấp Jean-Christophe Blancon và các sinh viên cao học Hao Zhang và Wenbin Li, đã làm việc với các đồng nghiệp tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC để xem các nguyên tử trong mạng perovskite tự sắp xếp lại như thế nào khi một chất mang nóng được tạo ra trong giữa họ. Họ đã hình dung sự tái tổ chức mạng tinh thể trong thời gian thực bằng cách sử dụng nhiễu xạ điện tử cực nhanh.
Mohite nói: “Bất cứ khi nào bạn để những chất bán dẫn mềm này tiếp xúc với các kích thích như điện trường, những điều thú vị sẽ xảy ra. "Khi bạn tạo ra các electron và lỗ trống, chúng có xu hướng kết hợp với mạng theo những cách khác thường và thực sự mạnh mẽ, điều này không xảy ra đối với các vật liệu và chất bán dẫn cổ điển.
"Vì vậy, có một câu hỏi vật lý cơ bản," ông nói. "Chúng ta có thể hình dung những tương tác này không? Chúng ta có thể thấy cấu trúc thực sự phản ứng như thế nào ở khoảng thời gian rất nhanh khi bạn đặt ánh sáng lên vật liệu này không?"
Câu trả lời là có, nhưng chỉ với một đầu vào mạnh mẽ. Cơ sở nhiễu xạ điện tử siêu nhanh (MeV-UED) siêu điện tử vôn của SLAC là một trong số ít nơi trên thế giới có laser xung có khả năng tạo ra plasma lỗ điện tử trong perovskite cần thiết để tiết lộ cấu trúc mạng thay đổi như thế nào trong thời gian ngắn hơn một phần tỷ giây để đáp lại một sóng mang nóng.
Mohite giải thích: “Cách thức hoạt động của thí nghiệm này là bạn bắn một tia laze xuyên qua vật liệu và sau đó bạn gửi một chùm điện tử đi qua nó với độ trễ thời gian rất ngắn. "Bạn bắt đầu thấy chính xác những gì bạn sẽ thấy trong ảnh TEM (kính hiển vi điện tử truyền qua). Với các electron năng lượng cao tại SLAC, bạn có thể thấy các mẫu nhiễu xạ từ các mẫu dày hơn và điều đó cho phép bạn theo dõi điều gì xảy ra với các electron và lỗ trống đó và cách chúng tương tác với mạng."
Các thí nghiệm tại SLAC đã tạo ra các mẫu nhiễu xạ trước và sau mà nhóm của Mohite giải thích để cho thấy mạng thay đổi như thế nào. Họ phát hiện ra rằng sau khi mạng bị kích thích bởi ánh sáng, nó giãn ra và thẳng đứng theo đúng nghĩa đen chỉ trong một pico giây, hay một phần nghìn tỷ giây.
Zhang cho biết, "Có một độ nghiêng tinh tế của bát diện perovskite, điều này kích hoạt sự tái tổ chức mạng nhất thời này hướng tới một pha đối xứng cao hơn."
Bằng cách chứng minh rằng mạng perovskite có thể đột nhiên trở nên ít biến dạng hơn khi phản ứng với ánh sáng, nghiên cứu cho thấy có thể điều chỉnh cách mạng perovskite tương tác với ánh sáng và đề xuất một cách để thực hiện việc điều chỉnh.
Li cho biết, "Hiệu ứng này phụ thuộc rất nhiều vào loại cấu trúc và loại cation đệm hữu cơ."
Có nhiều công thức để tạo ra perovskite, nhưng tất cả đều chứa các cation hữu cơ, một thành phần hoạt động như một miếng đệm giữa các lớp bán dẫn của vật liệu. Bằng cách thay thế hoặc thay đổi một cách tinh vi các cation hữu cơ, các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh độ cứng của mạng tinh thể, điều chỉnh nó lên hoặc xuống để thay đổi cách vật liệu phản ứng với ánh sáng, Li cho biết.
Mohite cho biết các thí nghiệm cũng cho thấy rằng việc điều chỉnh mạng của perovskite sẽ làm thay đổi đặc tính truyền nhiệt của nó.
Ông nói: "Điều thường được mong đợi là khi bạn kích thích electron ở mức năng lượng rất cao, chúng sẽ mất năng lượng vào mạng tinh thể". "Một số năng lượng đó được chuyển đổi thành bất kỳ quy trình nào bạn muốn, nhưng phần lớn năng lượng đó bị mất đi dưới dạng nhiệt, điều này thể hiện trong nhiễu xạ như một sự mất mát trong cường độ.
Mohite nói: “Mạng đang nhận được nhiều năng lượng hơn từ năng lượng nhiệt. "Đó là hiệu ứng cổ điển, được mong đợi, và được gọi là yếu tố Debye-Waller. Nhưng vì giờ đây chúng ta có thể biết chính xác điều gì đang xảy ra theo mọi hướng của mạng tinh thể, nên chúng ta thấy mạng tinh thể bắt đầu có nhiều tinh thể hơn hoặc có trật tự hơn." .Và điều đó hoàn toàn phản trực giác."
Ông nói: “Việc hiểu rõ hơn về cách perovskites bị kích thích xử lý nhiệt là một phần thưởng của nghiên cứu.
Mohite cho biết: “Khi chúng tôi làm cho các thiết bị ngày càng nhỏ hơn, một trong những thách thức lớn nhất từ góc độ vi điện tử là quản lý nhiệt. "Hiểu được sự sinh nhiệt này và cách nó được vận chuyển qua các vật liệu là rất quan trọng.
Ông nói: “Khi mọi người nói về các thiết bị xếp chồng, chúng cần có khả năng giải phóng nhiệt rất nhanh. "Khi chúng tôi chuyển sang các công nghệ mới tiêu thụ ít năng lượng hơn và tạo ra ít nhiệt hơn, các loại phép đo này sẽ cho phép chúng tôi thăm dò trực tiếp cách thức truyền nhiệt."
