크리스탈이 춤 동작을 수행하는 것을 '볼' 수 있습니다.
실험을 통해 2D 페로브스카이트 구조가 여기될 때 어떻게 변하는지 시각화
날짜:
2023년 1월 30일
원천:
라이스 대학교
요약:
연구원들은 이미 페로브스카이트의 원자가 빛에 호의적으로 반응한다는 것을 알고 있었습니다. 이제 그들은 2D 물질이 빛으로 여기될 때 원자가 어떻게 움직이는지 정확하게 보았습니다. 그들의 연구는 2D 페로브스카이트에서 광 유도 여기 하에서 구조 역학의 최초 직접 측정을 자세히 설명합니다.
Rice University 연구원들은 이미 페로브스카이트의 원자가 빛에 호의적으로 반응한다는 것을 알고 있었습니다. 이제 그들은 그 원자들이 어떻게 움직이는지 정확하게 볼 수 있습니다.
시각화의 돌파구는 태양 전지를 포함하여 페로브스카이트 기반 재료에서 가능한 모든 유용성을 짜내려는 그들의 노력을 지원합니다. 이 프로젝트는 장치의 내구성을 훨씬 더 높이기 위해 최근에야 발전했습니다.
이번 주 Nature Physics 에 발표된 연구 는 2D 페로브스카이트에서 광 유도 여기 하에서 구조 역학의 최초 직접 측정에 대해 자세히 설명합니다. 페로브스카이트는 잘 정렬된 결정 격자를 가진 층상 물질입니다. 그들은 태양 전지, 광검출기, 광촉매, 발광 다이오드, 양자 방출기 등으로 사용하기 위해 탐구되고 있는 매우 효율적인 빛 수확기입니다.
"빛을 에너지로 변환하는 장치의 다음 분야는 핫 캐리어를 수확하는 것"이라고 이 연구의 교신 저자인 Rice University의 Aditya Mohite가 말했습니다. "연구에 따르면 페로브스카이트의 핫 캐리어는 기존 반도체보다 최대 10~100배 더 오래 생존할 수 있습니다. 그러나 에너지 전달을 위한 메커니즘과 설계 원리 및 이들이 격자와 상호 작용하는 방식은 이해되지 않았습니다."
핫 캐리어는 음전하를 위한 전자 또는 양전하를 위한 전자 "정공" 중 하나인 수명이 짧은 고에너지 전하 캐리어이며 에너지를 수확할 수 있는 능력이 있으면 광 수확 장치가 "열역학적 효율성을 능가"할 수 있다고 Mohite는 말했습니다. , Rice의 George R. Brown School of Engineering의 화학 및 생체 분자 공학 부교수.
Mohite와 그의 연구 그룹의 선임 과학자 Jean-Christophe Blancon과 대학원생 Hao Zhang 및 Wenbin Li는 동료들과 함께 SLAC National Accelerator Laboratory의 동료들과 함께 핫 캐리어가 생성될 때 페로브스카이트 격자의 원자가 어떻게 스스로 재배열되는지 확인했습니다. 그들 가운데. 그들은 초고속 전자 회절을 사용하여 실시간으로 격자 재구성을 시각화했습니다.
"이 부드러운 반도체를 전기장과 같은 자극에 노출시킬 때마다 흥미로운 일이 발생합니다."라고 Mohite는 말했습니다. "전자와 정공을 생성할 때 이들은 비정상적이고 정말 강력한 방식으로 격자에 결합하는 경향이 있는데, 이는 고전적인 재료와 반도체의 경우가 아닙니다.
"그래서 근본적인 물리학 질문이 있었습니다."라고 그는 말했습니다. "이러한 상호 작용을 시각화할 수 있습니까? 이 물질에 빛을 비추면 구조가 실제로 매우 빠른 시간 척도에서 어떻게 반응하는지 볼 수 있습니까?"
대답은 '예'였지만 강력한 입력이 있을 때만 가능했습니다. SLAC의 메가 전자 볼트 초고속 전자 회절(MeV-UED) 시설은 페로브스카이트에서 전자 정공 플라즈마를 생성할 수 있는 펄스 레이저가 있는 세계에서 몇 안 되는 장소 중 하나입니다. 핫 캐리어에 대한 응답으로 10억분의 1초.
"이 실험이 작동하는 방식은 재료를 통해 레이저를 쏘고 매우 짧은 시간 지연으로 재료를 통과하는 전자빔을 보내는 것입니다."라고 Mohite는 설명했습니다. "TEM(투과 전자 현미경) 이미지에서 보는 것과 정확히 일치하기 시작합니다. SLAC의 고에너지 전자를 사용하면 두꺼운 샘플에서 회절 패턴을 볼 수 있으며 이를 통해 이러한 전자와 정공에 어떤 일이 발생하는지 모니터링할 수 있습니다. 그리고 그들이 격자와 어떻게 상호 작용하는지."
SLAC에서의 실험은 Mohite 팀이 격자가 어떻게 변했는지 보여주기 위해 해석한 전후 회절 패턴을 생성했습니다. 그들은 격자가 빛에 의해 여기된 후 이완되고 문자 그대로 1피코초 또는 1조분의 1초 만에 곧게 펴지는 것을 발견했습니다.
Zhang은 "페로브스카이트 팔면체의 미묘한 기울기가 있어 더 높은 대칭 위상을 향한 일시적인 격자 재구성을 촉발합니다."라고 말했습니다.
페로브스카이트 격자가 빛에 반응하여 갑자기 덜 왜곡될 수 있음을 보여줌으로써 연구는 페로브스카이트 격자가 빛과 상호 작용하는 방식을 조정할 수 있어야 하며 조정을 수행하는 방법을 제안했습니다.
Li는 "이 효과는 구조의 유형과 유기 스페이서 양이온의 유형에 따라 크게 달라집니다."라고 말했습니다.
페로브스카이트를 만드는 방법에는 여러 가지가 있지만 모두 유기 양이온을 함유하고 있는데, 이 성분은 재료의 반도체 층 사이에서 스페이서 역할을 합니다. 유기 양이온을 대체하거나 미묘하게 변화시킴으로써 연구자들은 격자 강성을 조정할 수 있으며, 재료가 빛에 반응하는 방식을 변경하기 위해 그것을 위 또는 아래로 조정할 수 있다고 Li는 말했습니다.
Mohite는 실험에서 페로브스카이트의 격자를 조정하면 열 전달 특성이 변경된다는 것을 보여주었다고 말했습니다.
"일반적으로 예상되는 것은 매우 높은 에너지 수준에서 전자를 여기시킬 때 격자에서 에너지를 잃는다는 것입니다."라고 그는 말했습니다. "그 에너지 중 일부는 원하는 프로세스로 전환되지만, 그 중 많은 부분이 열로 손실되며 회절 패턴에서 강도 손실로 나타납니다.
"격자는 열 에너지로부터 더 많은 에너지를 얻고 있습니다."라고 Mohite는 말했습니다. "그것은 예상되는 고전적인 효과이며 Debye-Waller 요인으로 잘 알려져 있습니다. 그러나 이제 우리는 결정 격자의 모든 방향에서 무슨 일이 일어나고 있는지 정확히 알 수 있기 때문에 격자가 더 결정화되거나 질서 정연해지기 시작하는 것을 볼 수 있습니다. . 그리고 그것은 완전히 직관에 반하는 것입니다."
여기된 페로브스카이트가 열을 어떻게 처리하는지 더 잘 이해하는 것이 연구의 보너스라고 그는 말했습니다.
Mohite는 "장치를 점점 더 작게 만들면서 마이크로 전자 공학 관점에서 가장 큰 문제 중 하나는 열 관리입니다."라고 말했습니다. "이 열 생성과 재료를 통해 전달되는 방식을 이해하는 것이 중요합니다.
"사람들이 스태킹 장치에 대해 이야기할 때 매우 빠르게 열을 추출할 수 있어야 합니다."라고 그는 말했습니다. "더 적은 전력을 소비하고 더 적은 열을 발생시키는 새로운 기술로 이동함에 따라 이러한 유형의 측정을 통해 열이 어떻게 흐르는지 직접 조사할 수 있습니다."
출처 : https://www.sciencedaily.com/