实验可视化二维钙钛矿结构在兴奋时如何变化

莱斯大学的研究人员已经知道钙钛矿中的原子对光有良好的反应。现在他们可以准确地看到这些原子是如何运动的。

可视化方面的突破支持他们努力从钙钛矿基材料(包括太阳能电池)中榨取每一滴可能的效用，这是一个长期项目，直到最近才取得进展，使设备更加耐用。

发表在《自然物理学》(NaturePhysics)上的一项研究详细介绍了二维钙钛矿在光诱导激发下的结构动力学的首次直接测量。钙钛矿是具有有序晶格的层状材料。它们是高效的光收集器，正在探索用作太阳能电池、光电探测器、光催化剂、发光二极管、量子发射器等。

“光能转换设备的下一个前沿是收集热载流子，”莱斯大学的AdityaMohite说，他是该研究的通讯作者。“研究表明，钙钛矿中的热载流子的寿命比传统半导体长10-100倍。但是，能量转移的机制和设计原则以及它们如何与晶格相互作用尚不清楚。”

热载流子是短命的高能电荷载流子，要么是负电荷的电子，要么是正电荷的电子“空穴”，并且能够收集它们的能量将使光收集设备“超越热力学效率”，Mohite说，莱斯大学乔治·R·布朗工程学院化学与生物分子工程副教授。

Mohite和他的研究小组的三名成员，资深科学家Jean-ChristopheBlancon和研究生HaoZhang和WenbinLi，与SLAC国家加速器实验室的同事一起研究了在他们中间。他们使用超快电子衍射实时可视化晶格重组。

“每当你将这些软半导体暴露在电场等刺激下时，有趣的事情就会发生，”Mohite说。“当你产生电子和空穴时，它们往往会以不寻常且非常强大的方式与晶格耦合，而经典材料和半导体则并非如此。

“所以有一个基本的物理问题，”他说。“我们能想象这些相互作用吗?当你把光照射到这种材料上时，我们能看到结构在非常快的时间尺度上实际上是如何响应的吗?”

答案是肯定的，但前提是要有强大的投入。SLAC的兆电子伏特超快电子衍射(MeV-UED)设施是世界上为数不多的拥有能够在钙钛矿中产生电子空穴等离子体的脉冲激光器的地方之一，这是揭示晶格结构如何在不到不到的时间内发生变化所必需的十亿分之一秒响应热载流子。

“这个实验的工作方式是你发射激光穿过材料，然后你发送电子束以非常短的时间延迟通过它，”Mohite解释道。“你开始准确地看到你在TEM(透射电子显微镜)图像中看到的东西。利用SLAC的高能电子，你可以看到较厚样品的衍射图案，这让你可以监测这些电子和空穴发生了什么以及它们如何与晶格相互作用。”

SLAC的实验产生了前后衍射图，Mohite的团队解释了这些图以显示晶格如何变化。他们发现，在光激发晶格后，它会松弛并在短短一皮秒或万亿分之一秒内完全伸直。

张说，“钙钛矿八面体有一个微妙的倾斜，触发了这种瞬态晶格重组，向更高的对称相发展。”

通过证明钙钛矿晶格可以突然变得不那么扭曲以响应光，研究表明应该可以调整钙钛矿晶格与光的相互作用，并提出了一种完成调整的方法。

李说，“这种效应非常依赖于结构类型和有机间隔阳离子的类型。”

有许多制造钙钛矿的配方，但都含有有机阳离子，这是一种在材料的半导体层之间充当间隔物的成分。Li说，通过替代或巧妙地改变有机阳离子，研究人员可以调整晶格刚度，将其调高或调低以改变材料对光的响应方式。

Mohite说，实验还表明，调整钙钛矿的晶格会改变其传热特性。

“通常预期的是，当你以非常高的能级激发电子时，它们会失去能量到晶格，”他说。“其中一些能量会转化为你想要的任何过程，但很多能量会以热量的形式损失掉，这在衍射图中显示为强度损失。

“晶格从热能中获得更多能量，”莫希特说。“这是预期的经典效应，并且被称为Debye-Waller因子。但是因为我们现在可以确切地知道晶格的每个方向上发生了什么，我们看到晶格开始变得更加结晶或有序.这完全违反直觉。

他说，更好地了解兴奋的钙钛矿如何处理热量是这项研究的收获。

“随着我们使设备越来越小，从微电子学的角度来看，最大的挑战之一是热管理，”Mohite说。“了解这种热量的产生及其如何通过材料传输非常重要。

“当人们谈论堆叠设备时，他们需要能够非常快速地提取热量，”他说。“随着我们转向消耗更少功率和产生更少热量的新技术，这些类型的测量将使我们能够直接探测热量的流动方式。”