Gizemli kuantum fiziği: Perovskite hibrit yarı iletken malzemelerin gizemini ortaya çıkarın!
Kılavuz
Yakın zamanda, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Georgia Teknoloji Enstitüsü liderliğindeki bir araştırma ekibi tarafından yürütülen yeni bir çalışma, perovskite "hibrit yarı iletken" malzemesinin arkasındaki kuantum fiziğinin gizemini ortaya çıkardı.arka fon
Yarı iletken optoelektronik cihazlar, "ışığı" ve "elektriği" birbirine dönüştürmek için iki fiziksel "ışık" ve "elektrik" miktarını birbirine bağlar. Elektrik enerjisini LED gibi ışık enerjisine dönüştürebilirler; tersi, ışık enerjisini güneş pilleri gibi elektrik enerjisine de dönüştürebilirler.
Yarı iletken endüstrisinde optoelektronik cihazlar çok önemli bir rol oynar. Modern toplumda, silikon bazlı optoelektronik cihazlar hemen hemen her yerdedir. Bununla birlikte, geleneksel silikon bazlı optoelektronik yarı iletken cihazlar performans, verimlilik, maliyet ve esneklik açısından sınırlandırılmıştır. Bu nedenle, bilim adamları aktif olarak galyum nitrür, galyum oksit ve silisyum karbür gibi yeni yarı iletken malzemeleri araştırıyorlar. Bu aynı zamanda yeni nesil yarı iletken malzemelerin ortaya çıktığı anlamına gelir.
Son yıllarda, "perovskite" adı verilen bir malzeme, dünyanın her yerinden bilim adamları tarafından yaygın bir şekilde aranmaktadır. Kusurların yayılmasına ve yer değiştirmesine elverişli olan özel bir kararlı yapıya sahiptir, bu nedenle elektrokataliz ve ışık emilimi gibi mükemmel fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir. Yazarın daha önce tanıttığı gibi, perovskit malzemeler LED ışıklar ve güneş pilleri gibi fotoelektrik cihazlarda kullanılmıştır. Aydınlatma teknolojisini ve fotovoltaik teknolojiyi bir kez daha değiştirmesi bekleniyor.
Perovskite LED (Resim kaynağı: Amerikan Kimya Derneği)
Perovskite güneş pilleri (resim kaynağı: UNIST)
Yenilikçilik
Son zamanlarda, Amerika Birleşik Devletleri'nde Georgia Institute of Technology liderliğindeki bir araştırma ekibi tarafından yürütülen yeni bir çalışma, perovskitin "hibrit yarı iletken" malzemesinin arkasındaki kuantum fiziğinin gizemini ortaya çıkardı.
Aşağıda gösterildiği gibi: Georgia Institute of Technology'den Carlos Silva'nın laboratuvarında, materyallerin kuantum özelliklerini test etmek için görünür aralıktaki lazerler kullanılmaktadır.
(Fotoğraf kredisi: Georgia Teknoloji Enstitüsü / Rob Felt)
Araştırma ekibi, Belçika'daki Monsinaut Üniversitesi ve İtalyan Teknoloji Enstitüsü'nden araştırmacıları içermektedir. 14 Ocak 2019'da ilgili araştırma sonuçları Nature Materials dergisinde yayınlandı. Bu araştırma, Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Bilim Vakfı, Avrupa Birliği Horizon 2020 Programı, Kanada Doğa Bilimleri ve Mühendislik Araştırma Konseyi, Quebec Araştırma Vakfı ve Belçika Federal Bilim Politikası Ofisi tarafından finanse edildi.
Georgia Teknoloji Enstitüsü Kimya ve Biyokimya Okulu'nda profesör olan Carlos Silva, araştırmayı Georgia Teknoloji Enstitüsü ve İtalyan Teknoloji Enstitüsü'nden Ajay Ram Srimath Kandada ile birlikte yönetti.
Aşağıdaki resimde: Carlos Silva (solda) ve lisansüstü öğrenci asistanı Félix Thouin, lazerleri görünür aralıkta işleyen bir cihazı inceliyor. Cihaz, halojenür organik-inorganik perovskitlerin kuantum özelliklerini test etmek için kullanılır.
(Fotoğraf kredisi: Georgia Teknoloji Enstitüsü / Rob Felt)
teknoloji
Amerika Birleşik Devletlerindeki Georgia Teknoloji Enstitüsünden araştırmacılar tarafından yönetilen bir fiziksel kimyager ekibi, ortaya çıkan bu "hibrit yarı iletkenlerin", seleflerine kıyasla "açık ve kapalı atlama" ile karşılaştırıldığında "bale" gibi olduğunu söyledi. Bu yeni malzemede, dönen kuantum parçacıkları, bir grup bale dansçısı gibi, ustaca kıskanılacak fotoelektrik özellikler yaratarak dalgalanıyor. Ancak aynı özellikler mevcut yarı iletkenlerde gerçekleştirilemez.
Parçacıkların bu yeni malzemeler aracılığıyla hareketi, bale dansçılarının dans pistinde dans etmelerine izin vermesine benzer şekilde, malzemelerin de kuantum etkileşimlerine katılmalarını sağlar. Araştırmacılar, malzemedeki "dansın" neden olduğu dalga modellerini ölçtüler ve bu dalga biçimlerini "ortaya çıkan malzemelerin kuantum özellikleri" ve "malzemeye eklenen enerji" ile ilişkilendirdiler.
Olağandışı esnek yarı iletkenOrtaya çıkan bu materyaller, "klasiklerin aksine" (bale dansçıları gibi) her türlü kuantum parçacık hareketini içerir.Bu yetenek, dansa katılan bir dans pisti gibi, moleküler seviyelerinin olağanüstü "esnekliği" ile doğrudan ilgilidir. Aksine, mevcut yarı iletkenlerin katı ve katı moleküler yapısı, onların kuantum parçacıklarının dansına katılmalarını engeller.
Araştırmacılar tarafından incelenen hibrit yarı iletken tipine "halojenür organik-inorganik perovskit (HOIP)" denir. Bu yarı iletken, kristal yapıyı (genellikle yarı iletkenlerde kullanılır) yenilikçi esnek malzemelerden oluşan bir katmanla birleştirir.
Bu yarı iletken malzeme ile kaplanmıştırSilva, "Zorlayıcı bir avantaj, HOIP'in düşük sıcaklıklarda çözelti içinde işlenebilmesidir. Üretim için daha az enerji gerektirir ve seri üretilebilir."
Genel olarak konuşursak, çoğu yarı iletkenin yüksek sıcaklık koşulları altında küçük miktarlarda üretilmesi gerekir ve bu yarı iletkenler serttir ve yüzeye uygulanamaz. Bununla birlikte, HOIP, deniz mavisinden macentaya çeşitli renklerde ışık yayan LED'ler, lazerler ve hatta cam pencereler oluşturmak için yüzeye boyanır. HOIP aydınlatmasının kullanımı sadece az enerji gerektirmekle kalmaz, aynı zamanda güneş paneli üreticilerinin fotovoltaik verimliliği artırmasına ve üretim maliyetlerini düşürmesine olanak tanır.
Kuantum mekaniğinin açılması ve kapanmasıOptoelektronik cihazlardaki yarı iletkenler ışığı elektriğe dönüştürebilir ve ayrıca elektriği ışığa dönüştürebilir. Bununla birlikte, araştırmacılar ikincisi (ışıma) ile ilgili sürece odaklandılar.
Malzemeleri aydınlık yapmanın gizemi şudur: Genel olarak, malzemedeki elektronlara enerji uygulamak, atomları çevreleyen yörüngelerden kuantum geçişlerine neden olur ve daha sonra, daha önce boşaltılan yörüngelere geri döndüklerinde, ışık şeklinde olurlar. Enerjiyi canlandırın. Mevcut yarı iletkenler elektronları malzemenin belirli alanlarına bağlayabilir, bu alanlar elektron hareket aralığını kesin olarak sınırlar ve bu alanlara enerji uygulamak elektronların birlikte kuantum geçişleri üretmesine neden olur. Yararlı ışık yayar.
Silva: "Bunlar, malzemenin iki boyutlu kısmı olan kuantum kuyularıdır ve bu kuantum özelliklerini bu özel ışık özelliklerini yaratmak için sınırlar."
Gerçek olmayan parçacık uyarımıBu hibrit yarı iletken, aynı zamanda temel rekabet gücü olan daha çekici bir ışık üretme yöntemine sahiptir.
Elektronun negatif yükü vardır, elektron enerji tarafından uyarıldığında, orijinal yörüngeyi terk eder ve orijinal yörünge, sözde "delik" olan pozitif bir yük haline gelir. Elektronlar ve delikler, "eksitonlar" adı verilen bir tür sözde "sanal parçacık" veya "yarı parçacıklar" oluşturmak için birbirlerinin etrafında döner (yazar, önceki makalede eksitonlara daha canlı ve özel bir giriş yapmıştı) .
Silva: "Eksitonlardaki pozitif ve negatif çekime, çok yüksek enerjili bir fenomen olan ve ışık yayımı için çok faydalı olan 'bağlayıcı enerji' denir."
Elektronlar ve delikler yeniden birleştiğinde, bağlanma enerjisi ışık üretmek için serbest bırakılacaktır. Bununla birlikte, genel olarak konuşursak, yarı iletkenlerde eksitonların bakımı çok zordur.
Silva: "Geleneksel yarı iletkenlerdeki eksiton özellikleri yalnızca aşırı soğuk sıcaklık koşullarında kararlıdır. Ancak HOIP'de eksiton özellikleri oda sıcaklığında çok kararlıdır."
Muhteşem yarı parçacık dönüşüEksitonlar atomlarından salınır ve malzemenin her yerinde serbestçe hareket eder. Ek olarak, HOIP'deki eksitonlar diğer eksitonlar etrafında dönerek "çift eksitonlar" olarak adlandırılan bir tür yarı parçacık oluşturabilir. Bununla birlikte, burada oluşan yarı parçacıklar sadece çift eksiton değildir.
Malzeme kafesinde, eksitonlar da atomların etrafında dönerler. Tıpkı elektronların ve deliklerin eksitonları oluşturması gibi, bu eksiton da çekirdek etrafında döner ve "polaron" adı verilen başka bir tür yarı parçacık üretir. Tüm bu etkiler, eksitonların "polaronlar" a dönmesine neden olur. Hatta bazı eksitonların "polaron" da ince değişiklikler gösterdiği söylenebilir.
Tüm bu dinamik değişiklikler tek bir olguda birleşir: HOPI, katyonlar ve anyonlarla doludur. Bu kuantum danslarının güzelliği, malzemenin kendisi üzerindeki genel etkileridir.
Dalga formu rezonansıMalzemenin atomları alışılmadık bir şekilde elektronların, eksitonların, çift eksitonların ve polaronların dansına katılarak malzemede dalga desenleri şeklinde gözlemlenebilen tekrarlanan nano çentikler oluşturur ve takip eder. Malzemeye eklenen enerji hareket etmek ve değişmek için değişir.
Silva: "Temel durumda, bu dalga biçimi modelleri belli bir şekilde görünüyor, ancak enerji ekledikten sonra eksitonların davranışı değişir. Bu dalga biçimini değiştirir ve biz bunu ölçtük. Bu çalışmada, Temel gözlem, dalga formunun farklı eksiton türleriyle (eksitonlar, çift eksitonlar, polaronlar / daha az polaronlar) değişmesidir. "
Bu boşluklar aynı zamanda eksitonları yakalar ve malzeme içindeki hareketlerini yavaşlatır. Tüm bu muhteşem dinamik değişiklikler, ışık kalitesini etkileyecektir.
Lastik bant sandviçBu malzeme "halojenür organik-inorganik perovskit" bir sandviç yapıdır. Bu sandviç yapının, aralarında bazı organik malzemeler bulunan iki inorganik kafes tabakası vardır ve bu da HOIP'yi organik-inorganik hibrit bir malzeme yapar. Bu kafeslerde kuantum etkileri meydana gelir.
Ortadaki organik katman bir lastik bant gibidir ve kafesi sallanan ama sabit bir dans pistine dönüştürür. HOIP aynı zamanda birçok kovalent olmayan bağ ile birleşerek malzemeyi yumuşak hale getirir.
Tek bir kristal birim, merkezde metal atomları ve tepesinde klor veya iyot gibi halojen atomları bulunan çok düzgün bir elmas yapı olan "perovskit" olarak adlandırılan şekli alır, bu yüzden bir "halojenür" dür. Bu çalışmada, araştırmacılar "(PEA) 2PbI4" moleküler formülüne sahip iki boyutlu bir prototip kullandılar.
Aşağıda gösterilen: HOIP (halojenür organik-inorganik perovskit) tasviri. Eşkenar dörtgen perovskittir, bu kristal tabaka kuantum parçacıklarının hareketi için bir yer sağlar. Ortada, bu yeni nesil yarı iletkenlerin ana sembolü olan HOIP'nin genel esnekliğine katkıda bulunan organik katman var.
(Resim kaynağı: Georgia Institute of Technology)
değer
HOIP sadece beklenen ışık ve enerji verimliliğine sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda üretimi ve uygulaması da kolaydır. Yukarıdaki yeni içgörüler, mühendislerin bu yeni yarı iletkenler sınıfı üzerinde daha verimli araştırmalar yapmalarına yardımcı olacaktır.
Anahtar kelime
Perovskite, kuantum, optoelektronik, eksiton, yarı iletken
Referans
[1]
[2] Félix Thouin, David A. Valverde-Chávez, Claudio Quarti, Daniele Cortecchia, Ilaria Bargigia, David Beljonne, Annamaria Petrozza, Carlos Silva, Ajay Ram Srimath Kandada. Fonon tutarlılıkları, iki boyutlu kurşun halojenür perovskitlerdeki eksitonların polaronik karakterini ortaya çıkarır. Doğa Malzemeleri, 2019; DOI: 10.1038 / s41563-018-0262-7
