Khám phá động lực mạng nâng cao trong perovskite lai một lớp
Cấu trúc tinh thể và phản ứng Raman tự phát của 2DHP. (A) Sơ đồ minh họa cấu trúc tinh thể cho cả perovskite bromide một lớp (n = 1) và hai lớp (n = 2). BA, butylamoni; MA, metylamoni; Pb, chì; Anh ơi, bromua. (B và C) Phổ Raman phụ thuộc nhiệt độ của n = 1 và n = 2 2DHP từ 77 đến 298 K. (D) Phổ Raman được chọn của n = 1 (dưới) và n = 2 (trên cùng) 2DHP ở 77 K ( tím sáng và xanh lá cây) và 298 K (tím nhạt và xanh lục). Tất cả các chế độ phonon được biểu thị bằng các đường đứt nét. a.u., đơn vị tùy ý. Nhà cung cấp: Tiến bộ khoa học (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg4417
Perovskites lai phân lớp thể hiện các đặc tính vật lý đa dạng và chức năng đặc biệt; tuy nhiên, từ quan điểm khoa học vật liệu, sự tồn tại đồng thời của trật tự mạng và sự rối loạn cấu trúc có thể cản trở sự hiểu biết về những vật liệu đó. Động lực mạng có thể bị ảnh hưởng bởi kỹ thuật chiều của khung vô cơ và tương tác với các gốc phân tử trong một quá trình vẫn chưa được biết.
Để giải quyết vấn đề này, Zhuquan Zhang và nhóm các nhà khoa học về hóa học và vật lý tại Đại học Pennsylvania, Đại học Texas, Austin và Viện Công nghệ Massachusetts, Hoa Kỳ, đã sử dụng kết hợp tán xạ Raman tự phát, quang phổ terahertz và động lực phân tử mô phỏng.
Kết quả nghiên cứu cho thấy động lực cấu trúc ở trạng thái cân bằng và không ở trạng thái cân bằng đã cung cấp những thông số quan sát ngoài mong đợi để phân biệt perovskite một lớp và hai lớp như thế nào. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances.
Mặc dù họ không quan sát thấy sự kết hợp rung động trong perovskite hai lớp, nhưng họ lưu ý đến khả năng xung terahertz cộng hưởng sẽ điều khiển chế độ phonon kết hợp tồn tại lâu dài trong hệ thống một lớp. Dựa trên perovskite phân lớp, kết quả mang lại là kỹ thuật kết cấu cực nhanh và bộ điều biến quang học tốc độ cao.
Perovskite lai
Trong hai thập kỷ qua, các nhà khoa học vật liệu đã cho thấy ưu thế của perovskite lai hai chiều là chất bán dẫn tự nhiên, giống lượng tử với khả năng hấp thụ ánh sáng rõ rệt, hiệu suất lượng tử phát quang lớn và năng lượng liên kết của các exiton mạnh. Những vật liệu này có nhiều biến đổi hóa học và đa dạng về cấu trúc khi so sánh với các vật liệu 3D của chúng và thành phần của chúng có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi các cation đệm hữu cơ, mạng vô cơ và các lớp bát diện.
Các lớp này cũng có thể cung cấp rất nhiều đặc tính nổi bật, bao gồm tính sắt điện, tính chọn lọc spin và tính đa chức năng có thể hiểu được qua sự tương tác giữa khung mạng vô cơ và các cation hữu cơ đóng vai trò then chốt cho mục tiêu này.
Các nhà nghiên cứu trước đây đã tiến hành các nghiên cứu cơ học để tiết lộ các đặc điểm của mạng lai kết hợp với sự rối loạn cấu trúc như thế nào. Tuy nhiên, vẫn còn phải xác định xem các đặc tính này có thể tồn tại ở giới hạn một lớp hay không.
Trong nghiên cứu mới này, Zhang và các đồng nghiệp đã trình bày một nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chung nhằm khám phá nguồn gốc của sự phức tạp về cấu trúc của perovskite lai hai chiều (2D). Họ đã sử dụng các thí nghiệm ở trạng thái ổn định và cực nhanh để xác định các dấu vân tay duy nhất nhằm phân biệt động lực học cấu trúc của các mạng lai trong quá trình giao thoa từ gần 2D sang 2D. Nhóm nghiên cứu đã hợp lý hóa các kết quả nghiên cứu bằng cách sử dụng các tính toán động lực phân tử ở cấp độ nguyên tử để hiểu được mạng tinh thể lai trong và ngoài trạng thái cân bằng.
Đo quang phổ hiệu ứng THz Kerr. (A) Bơm THz chu kỳ đơn tập trung vào tinh thể đơn 2DHP để tạo ra phản ứng phi tuyến. Xung đầu dò 800nm bị trễ thời gian được phân cực ở 45° so với độ phân cực THz dọc và tín hiệu khử cực nhất thời được đo bằng sơ đồ phát hiện cân bằng. HWP, tấm nửa sóng. (B) Tín hiệu THz-Raman được phân giải theo thời gian cho cả n = 1 (màu tím) và n = 2 (màu xanh lá cây) 2DHP ở các nhiệt độ khác nhau. Tín hiệu TKE cho n = 2 2DHP và các dao động tồn tại lâu dài trong mẫu n = 1 được phóng đại lên 10. Dữ liệu được dịch chuyển theo chiều dọc để rõ ràng. Dạng sóng bơm THz (màu xám) cũng được hiển thị ở trên cùng. (C) Phân tích biến đổi Fourier của tín hiệu dao động trong mẫu n = 1 ở 10 K in (A) cho thấy một đỉnh duy nhất ở 1,8 THz, cao hơn nội dung phổ của xung THz tới (vùng màu xám). (D) Sự phụ thuộc nhiệt độ của biên độ chế độ n = 1 1,8 THz. Biên độ trở nên khác 0 dưới 200 K và tăng đơn điệu khi nhiệt độ giảm. (E) Tốc độ phân rã ở chế độ 1,8 THz là hàm của nhiệt độ dưới 200 K. Đường cong nét đứt màu xanh lam phù hợp với mô hình phân rã không điều hòa (xem ghi chú S4). Các thanh lỗi trong (D) và (E) biểu thị khoảng tin cậy 95%. Nhà cung cấp: Tiến bộ khoa học (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg4417
Các thí nghiệm
Nhóm nghiên cứu tập trung vào hai perovskite lai hai chiều nguyên mẫu khác nhau về số lượng lớp bát diện định hình góc. Một biến thể chứa chất đệm hữu cơ ligands
để tách các lớp bát diện, trong khi perovskite lai hai lớp chứa các cation vị trí A bổ sung chiếm các túi khối lập phương được hình thành bởi tám khối tám mặt.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng sự tán xạ Raman tự phát để theo dõi các phản ứng tập thể năng lượng thấp và sự rối loạn cấu trúc nhằm từ đó nghiên cứu động lực học mạng ở cân bằng nhiệt. Các nhà khoa học đã mô tả đặc điểm của quang phổ Raman, sau đó dựa trên dữ liệu Raman ở trạng thái ổn định, họ hình thành quan điểm cân bằng nhiệt về độ phức tạp cấu trúc trong perovskite lai hai chiều để cho thấy mức độ rối loạn cấu trúc giảm đáng kể.
Dữ liệu Raman nêu bật hoạt động của perovskite lai bromide hoàn toàn trái ngược với perovskite lai iodide 2D để thiết lập so sánh chuẩn về động lực học bát diện chuyển từ cấu trúc hai lớp sang cấu trúc một lớp.
Sự tiến hóa theo thời gian của phản ứng mạng và mô phỏng động lực phân tử.
Sau đó, nhóm nghiên cứu theo dõi sự tiến triển theo thời gian của phản ứng mạng ở khoảng thời gian cực nhanh để có thêm thông tin chi tiết về động lực học cấu trúc và tách các chế độ tập thể khỏi rối loạn động. Bằng cách sử dụng phương pháp quang phổ hiệu ứng Kerr quang học, Zhang và nhóm đã nghiên cứu động lực học của mạng và sự định hướng lại phân tử trong perovskite lai. Các tín hiệu bị ảnh hưởng đáng kể bởi hiệu ứng phi tuyến tính của sự truyền ánh sáng.
Sau đó, bằng cách sử dụng quang phổ hiệu ứng Kerr do trường terahertz tạo ra, họ đã theo dõi hoạt động của mạng trong thời gian thực để mang lại một số lợi thế; ví dụ, các photon tần số terahertz phù hợp với thang năng lượng tự nhiên của các dao động năng lượng thấp của các khung vô cơ để làm nhiễu loạn bậc tự do mạng tinh thể.
Các nhà khoa học vật liệu đã làm thay đổi điện trường của các xung terahertz; để dịch chuyển mạnh mẽ đám mây electron liên kết với hạt nhân để tạo ra các phản ứng phân cực khổng lồ mà các xung bơm trong dải tần quang không thể tiếp cận được. Để có được những hiểu biết sâu sắc hơn về bản chất của cả động lực học nhiệt và động lực kết hợp, các nhà khoa học đã thực hiện mô phỏng động lực học phân tử ban đầu và mô phỏng trạng thái cân bằng bằng cách tính toán các phản ứng Raman tự phát.
Quan điểm
Bằng cách này, Zhuquan Zhang và các đồng nghiệp đã kết hợp các phép đo quang phổ với mô phỏng động lực phân tử để hiểu cách perovskite lai một lớp tạo ra phản ứng mạng phân cực, ngoài các đối tác perovskite hai lớp. Perovskites lai hai chiều cung cấp các ứng cử viên đầy triển vọng để đạt được bộ điều biến khúc xạ băng thông rộng, toàn quang học để phát triển các phương pháp quang học tiên tiến.
Các kết quả nghiên cứu nêu bật tác động của việc kích thích ánh sáng terahertz phù hợp để nghiên cứu các mạng lai thể hiện sự tương tác phức tạp giữa động lực học phân tử và ion. Phương pháp này có thể được kết hợp để khám phá thêm các vật liệu có cấu trúc phức tạp bao gồm các cấu trúc dị thể được thiết kế nhân tạo nhằm mở ra cánh cửa điều chỉnh các đặc tính nổi lên và đạt được các chức năng độc đáo với ánh sáng.
