Perovskite halogenua là một loại vật liệu có cấu trúc cơ bản giống với cấu trúc của perovskite khoáng sản, nhưng với các vị trí X bị chiếm giữ bởi các ion halogenua, trong khi vị trí A và B của chúng bị chiếm giữ bởi các cation. Những vật liệu này có nhiều đặc tính thuận lợi khiến chúng trở thành ứng cử viên đầy triển vọng cho sự phát triển quang điện (PV), điốt phát sáng (LED) và các thiết bị quang điện tử khác.
Hình ảnh 3D của sự dịch chuyển nguyên tử liên quan đến phân cực electron lớn trong Cs 2 AgBiBr 6 . Ô mô phỏng chứa tổng cộng 320.000 nguyên tử, trong đó 32.000 nguyên tử Ag được hiển thị trong hình cho rõ ràng. Mô hình dịch chuyển nguyên tử tạo thành một dạng tương tự phi từ tính của điểm Bloch xoắn ốc. Nhà cung cấp hình ảnh: Jon Lafuente-Bartolome, Chao Lian, Feliciano Giustino.
Các nghiên cứu gần đây đã thu thập được những hiểu biết thú vị về perovskite halogenua và các đặc tính quang điện tử của chúng. Tuy nhiên, nguồn gốc của tuổi thọ vật liệu đáng chú ý của những vật liệu này vẫn chưa được khám phá.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas ở Austin gần đây đã thực hiện một nghiên cứu nhằm làm sáng tỏ nguồn gốc của những cuộc đời phi thường của những người mang mầm bệnh này. Bài báo của họ, được xuất bản trên PNAS, cho thấy perovskite halogenua bị chi phối bởi vật lý electron-phonon độc đáo, dẫn đến sự hình thành một loại quasiparticles mới mà các tác giả gọi là “polonon tôpô”.
Jon Lafuente, Chao Lian và Feliciano Giustino, đồng tác giả của bài báo, nói với Phys.org: “Động lực của chúng tôi mang tính chất thử nghiệm”.
"Perovskite halogenua là vật liệu đặc biệt cho các ứng dụng trong quang điện và thiết bị phát sáng do đặc tính quang điện đặc biệt của chúng, chẳng hạn như tuổi thọ hạt tải điện dài và độ dài khuếch tán. Một số kỹ thuật thử nghiệm tiên tiến nhất đã được áp dụng cho các vật liệu này để làm sáng tỏ nguồn gốc về những đặc tính bất thường này và làm rõ nguồn gốc của hiệu suất chuyển đổi năng lượng phi thường của chúng."
Bằng chứng thu thập được trong các thí nghiệm gần đây cho thấy rằng sự tương tác mạnh mẽ giữa các electron và dao động trong mạng nguyên tử của perovskite halogenua có thể góp phần tăng tuổi thọ hạt tải điện và hiệu suất chuyển đổi năng lượng vượt trội của chúng. Cụ thể, một số nhà nghiên cứu đã gợi ý rằng quá trình then chốt củng cố những tính chất này có thể là sự hình thành các phân cực, các giả hạt cục bộ bao gồm các electron ghép đôi với sự biến dạng của mạng tinh thể.
Lafuente và Giustino giải thích: “Việc thiếu các phương pháp lý thuyết phù hợp kết hợp toàn bộ độ phức tạp của các vật liệu này và các giả hạt này cho đến nay đã cản trở khả năng của chúng tôi trong việc tìm hiểu sự hình thành các phân cực trong perovskite halogenua ở quy mô nguyên tử”.
“Nhóm của chúng tôi gần đây đã phát triển một phương pháp tính toán hiệu năng cao mới để nghiên cứu sự hình thành các phân cực kết hợp sự tương tác giữa các hạt mang điện tử và dao động mạng, bắt đầu từ những nguyên lý đầu tiên của cơ học lượng tử.”
Trong vài năm qua, Lafuente, Lian, Giustino và các đồng nghiệp của họ đã cố gắng tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai phương pháp đề xuất của họ bằng cách sử dụng các mã hiệu suất cao, sau đó họ có thể chạy trên một số siêu máy tính lớn nhất thế giới (ví dụ: TACC và NERSC). máy tính). Là một phần của nghiên cứu gần đây, họ đặc biệt đặt ra mục tiêu sử dụng các phương pháp này để nghiên cứu sự hình thành các phân cực trong perovskite halogenua.
Sơ đồ biểu diễn một điểm Bloch xoắn ốc lý tưởng. Kiểu dịch chuyển bao quanh quả cầu bao quanh tâm Polaron và dần dần phát triển từ đặc tính tiếp tuyến ở xích đạo sang đặc tính xuyên tâm ở hai cực. Nhà cung cấp hình ảnh: Jon Lafuente-Bartolome, Chao Lian, Feliciano Giustino
Lafuente và Giustino cho biết: “Với những phương pháp này, chúng tôi có thể xem xét các tế bào mô phỏng có kích thước từ vài chục đến gần nửa triệu nguyên tử, điều chưa từng đạt được trước đây”.
“Các tính toán của chúng tôi đã dẫn đến một số kết quả bất ngờ. Đầu tiên, chúng tôi phát hiện ra rằng các phân cực có thể có nhiều dạng khác nhau trong perovskite halogenua; chúng có thể rất lớn, có chiều dài vài nanomet hoặc có thể rất nhỏ, định vị xung quanh một nguyên tử bismuth. "
Các mô phỏng do Lafuente thực hiện cũng tiết lộ rằng các phân cực trong perovskite halogenua thậm chí có thể hình thành các biến dạng định kỳ, biểu hiện ở mật độ đủ cao dưới dạng sóng mật độ điện tích. Đáng chú ý là các loại Polaron khác nhau mà họ quan sát thấy trong mô phỏng dường như hình thành ở các khoảng thời gian khác nhau.
Lafuente và Giustino cho biết: “Ví dụ, chúng tôi dự đoán rằng khi được chiếu sáng, đầu tiên các phân cực lớn sẽ hình thành và sau đó chúng sẽ biến đổi thành các phân cực nhỏ”.
“Các dự đoán của chúng tôi rất phù hợp với các thí nghiệm quang phổ đầu dò bơm cực nhanh hiện có. Tuy nhiên, có lẽ khám phá đáng ngạc nhiên nhất là các phân cực trong perovskite halogenua có một ‘vòng xoắn’; các chuyển vị nguyên tử xung quanh các phân cực tạo thành các kiểu xoáy và vectơ liên quan các trường có cấu trúc liên kết được xác định rõ ràng có thể được mô tả bằng các số cấu trúc liên kết được lượng tử hóa."
Các cấu trúc tôpô được các nhà nghiên cứu tiết lộ là cực kỳ giống với cấu trúc của skyrmion, meron và điểm Bloch – ba loại giả hạt hấp dẫn được quan sát trước đây trong các hệ từ tính. Sự tồn tại của các phân cực không từ tính có đặc điểm giống với các giả hạt từ tính chưa từng được báo cáo trước đây, do đó nghiên cứu này có thể mở ra những hướng đi mới cho các nghiên cứu trong tương lai, có khả năng dẫn đến những khám phá thú vị.
Lafuente và Giustino cho biết: “Có hai hướng chính mà chúng tôi hiện đang mong muốn theo đuổi”. “Một mặt, ngay cả khi những kết quả này vẽ ra một bức tranh chi tiết ở cấp độ nguyên tử về các phân cực trong perovskite halogenua, thì chúng cũng không cho chúng ta biết chính xác các giả hạt này tương tác với ánh sáng như thế nào hoặc cách chúng truyền qua vật liệu. Chúng tôi muốn phát triển các phương pháp để dự đoán tính chất vận chuyển và quang học của các phân cực này một cách chi tiết hơn.”
Bằng cách phát triển các phương pháp tiếp cận mới để dự đoán tính chất quang học của các phân cực trong perovskite halogenua, các nhà nghiên cứu hy vọng có thể dự đoán một cách đáng tin cậy các hiện tượng vật lý mới và giải thích nguồn gốc của chúng. Đồng thời, họ có kế hoạch khám phá mức độ mà những phát hiện của họ có thể được khái quát hóa trên các tài liệu khác nhau.
“Có phải các phân cực tôpô chỉ có ở perovskite halogenua hay chúng cũng có thể hình thành ở các vật liệu khác?” Lafuente và Giustino đã thêm vào.
“Các thành phần vật lý chính cần thiết cho sự hình thành các phân cực tôpô là gì? Chúng ta có thể điều chỉnh các thông số vật liệu, ví dụ như thông qua biến dạng, thành phần hóa học hoặc ánh sáng, để điều chỉnh điện tích tôpô và độ xoắn của phân cực không?
“Đây là một số câu hỏi lớn hơn mà chúng tôi sẽ cố gắng trả lời trong tương lai. Cuối cùng, việc phát hiện ra các phân cực tôpô có thể mở ra những con đường hoàn toàn mới trong việc điều khiển thông tin lượng tử thông qua các bậc tự do phi cổ điển mới lạ.”
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
