Низкоразмерные (2D или 1D) перовскиты излучают свет в узком спектральном диапазоне и поэтому используются для изготовления светодиодов с превосходной чистотой цвета. Однако в некоторых случаях был отмечен широкий спектр излучения на уровнях энергии ниже узкого спектра.
Этот процесс вызвал большой интерес, поскольку его можно было бы использовать для более простого производства светодиодов белого света по сравнению с процессами, которые используются в настоящее время. Однако для разработки перовскитов для конкретных целей необходимо понимать, почему одни перовскиты производят излучение в широком спектре, а другие – в узком.
Квантовое ограничение
Перовскиты – это универсальная группа материалов с очень характерной кристаллической структурой, известной как структура перовскита.
В идеализированной кубической элементарной ячейке анионы образуют октаэдр вокруг центрального катиона, в то время как углы куба заняты другими, более крупными катионами. Для создания разных перовскитов можно использовать разные ионы.
В гибридных перовскитах катионы представляют собой органические молекулы разного размера.
Когда размер превышает определенный размер, структура становится двухмерной или слоистой. Получающееся в результате квантовое ограничение имеет большие последствия для физических свойств материалов и, в частности, для оптических свойств.
Выбросы
«В литературе есть много сообщений, в которых, помимо узкого излучения этих низкоразмерных систем, существует широкий спектр низких энергий. И это считается неотъемлемым свойством материала ”, – говорит Мария Лой, профессор фотофизики и оптоэлектроники в Университете Гронингена.
Было высказано предположение, что колебания атомов октаэдра могут «улавливать» возбужденное состояние в автолокализованном экситоне или самозахватывающемся возбужденном состоянии, вызывая фотолюминесценцию широкого спектра, особенно в этих двумерных системах и в системах, где октаэдры изолированы друг от друга (нульмерные).
Однако наблюдения, сделанные в лаборатории Лои, по-видимому, противоречат этой теории, – говорит Саймон Кахманн, научный сотрудник ее команды. «Один из наших студентов изучал монокристаллы двумерного перовскита на основе йодида свинца и заметил, что некоторые кристаллы излучают зеленый свет, а другие – красный свет.
Это не то, чего вы ожидали бы, если бы широкое красное излучение было внутренним свойством этого материала.’
Цвет
Исследовательская группа предположила, что дефекты в этих перовскитах могут изменять цвет излучаемого света,. Поэтому они решили проверить основную интерпретацию с помощью специального эксперимента.
Лой: «Согласно принятому теоретическому объяснению, возбуждения должны быть больше ширины запрещенной зоны, чтобы производить широкое излучение.’Ширина запрещенной зоны – это разность энергий между верхом валентной зоны и дном зоны проводимости.
Используя лазерный свет разного цвета и, следовательно, разной энергии, они исследовали излучение кристаллов. «Мы заметили, что когда мы использовали фотоны с энергией ниже запрещенной зоны, широкое излучение все равно происходило», – говорит Лой.
Согласно общепринятой интерпретации, этого не должно было произойти.’
Последствия
Их объяснение состоит в том, что дефектное состояние с уровнем энергии внутри запрещенной зоны определяет широкое излучение и большое изменение цвета кристаллов. «Мы думаем, что это химический дефект в кристалле, вероятно связанный с йодидом, который вызывает состояния внутри запрещенной зоны», – говорит Каманн. Таким образом, широкие выбросы не являются внутренним свойством материала, а вызваны внешним эффектом. Каманн: «На данный момент мы не можем полностью исключить, что это особенность перовскитов из йодида свинца, но, вероятно, это общее свойство низкоразмерных перовскитов.«Это открытие имеет серьезные последствия, – объясняет Лой:« Если мы хотим предсказать новые и лучшие соединения, которые широко излучают свет, мы должны понять происхождение этого излучения ». Нас не должен обмануть этот хамелеон.’