- 28,168
- 46
- 8 Ноя 2022
Как «толщина» органического слоя решает, каким будет будущий светодиод.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:800/450;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
Двумерные перовскиты считают одними из самых перспективных материалов для будущих светодиодов, солнечных элементов и фотодетекторов, но инженерам долго мешала одна проблема: небольшая замена молекул могла резко менять работу материала, а точную причину изменений было трудно отделить от сопутствующих эффектов. Исследователи из Южной Кореи предложили способ заранее оценивать, как длина органической молекулы внутри слоистого перовскита повлияет на способность материала поглощать и излучать свет.
Ключевую роль в такой работе играют экситоны. Так называют связанные пары из электрона и положительно заряженной «дырки», возникающие после поглощения света. Чем сильнее электрон и дырка удерживаются рядом, тем заметнее меняются оптические свойства материала. Для двумерных перовскитов экситонные эффекты особенно выражены, но ученые годами не могли понять, какой вклад дает геометрия слоев, а какой связан с диэлектрическим окружением.
Команда создала серию тонких пленок на основе свинцово-иодидных двумерных перовскитов. Неорганический каркас материалов оставили почти одинаковым, а между слоями меняли только органические молекулы-спейсеры. Исследователи сначала изучили шесть разных спейсеров, а затем сосредоточились на серии с четным числом атомов углерода. У всех молекул была одинаковая аммониевая группа, отличалась только длина углеродной цепи. Такой подход позволил отделить влияние диэлектрического экранирования от структурных искажений, которые обычно мешают чистому сравнению.
Затем исследователи измерили электронные и оптические параметры материалов несколькими методами. Фотоэлектронная спектроскопия и обратная фотоэлектронная спектроскопия низких энергий помогли определить энергию, необходимую для полного разделения электрона и дырки. Спектроскопия поглощения в ультрафиолетовом и видимом диапазоне показала энергию создания связанной электрон-дырочной пары. Разница между измерениями дала энергию связи экситона.
Результат оказался показательным: при увеличении длины органических спейсеров квазичастичная запрещенная зона заметно росла, а энергия экситона почти не менялась. Из-за расхождения двух величин энергия связи экситона увеличивалась вместе с длиной молекулы. Ученые пришли к выводу, что усиление притяжения между электроном и дыркой в контролируемой серии материалов главным образом задает диэлектрическое окружение, а не искажение кристаллической структуры.
Стандартная модель Келдыша, которую часто применяют для описания экситонов в двумерных материалах, не смогла полностью объяснить экспериментальные данные. Авторы добавили в расчеты феноменологическую диэлектрическую функцию, учитывающую электрическое влияние неорганического слоя и органического спейсера конечной толщины. После такой поправки теория хорошо совпала с измерениями.
Профессор Ханбатского национального университета Ки-Ха Хон заявил , что модель дает практическое правило для прогнозирования влияния длины органического спейсера на экситонные свойства двумерных перовскитов. Разработка может ускорить поиск материалов для более ярких светодиодов, эффективных солнечных элементов, фотодетекторов и других оптоэлектронных устройств, где поведение экситонов нужно настраивать заранее, а не подбирать методом проб и ошибок.
Авторы признают ограничения подхода. Модель проверили на однородной серии материалов с минимальными структурными искажениями, поэтому для более сложных перовскитов с одновременным изменением структуры и диэлектрической среды расчеты потребуют осторожности. Дальнейшие исследования должны показать, насколько широко новое правило можно применять к семейству гибридных органико-неорганических полупроводников. Работа опубликована в журнале <em>Advanced Functional Materials</em>.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:800/450;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
Двумерные перовскиты считают одними из самых перспективных материалов для будущих светодиодов, солнечных элементов и фотодетекторов, но инженерам долго мешала одна проблема: небольшая замена молекул могла резко менять работу материала, а точную причину изменений было трудно отделить от сопутствующих эффектов. Исследователи из Южной Кореи предложили способ заранее оценивать, как длина органической молекулы внутри слоистого перовскита повлияет на способность материала поглощать и излучать свет.
Ключевую роль в такой работе играют экситоны. Так называют связанные пары из электрона и положительно заряженной «дырки», возникающие после поглощения света. Чем сильнее электрон и дырка удерживаются рядом, тем заметнее меняются оптические свойства материала. Для двумерных перовскитов экситонные эффекты особенно выражены, но ученые годами не могли понять, какой вклад дает геометрия слоев, а какой связан с диэлектрическим окружением.
Команда создала серию тонких пленок на основе свинцово-иодидных двумерных перовскитов. Неорганический каркас материалов оставили почти одинаковым, а между слоями меняли только органические молекулы-спейсеры. Исследователи сначала изучили шесть разных спейсеров, а затем сосредоточились на серии с четным числом атомов углерода. У всех молекул была одинаковая аммониевая группа, отличалась только длина углеродной цепи. Такой подход позволил отделить влияние диэлектрического экранирования от структурных искажений, которые обычно мешают чистому сравнению.
Затем исследователи измерили электронные и оптические параметры материалов несколькими методами. Фотоэлектронная спектроскопия и обратная фотоэлектронная спектроскопия низких энергий помогли определить энергию, необходимую для полного разделения электрона и дырки. Спектроскопия поглощения в ультрафиолетовом и видимом диапазоне показала энергию создания связанной электрон-дырочной пары. Разница между измерениями дала энергию связи экситона.
Результат оказался показательным: при увеличении длины органических спейсеров квазичастичная запрещенная зона заметно росла, а энергия экситона почти не менялась. Из-за расхождения двух величин энергия связи экситона увеличивалась вместе с длиной молекулы. Ученые пришли к выводу, что усиление притяжения между электроном и дыркой в контролируемой серии материалов главным образом задает диэлектрическое окружение, а не искажение кристаллической структуры.
Стандартная модель Келдыша, которую часто применяют для описания экситонов в двумерных материалах, не смогла полностью объяснить экспериментальные данные. Авторы добавили в расчеты феноменологическую диэлектрическую функцию, учитывающую электрическое влияние неорганического слоя и органического спейсера конечной толщины. После такой поправки теория хорошо совпала с измерениями.
Профессор Ханбатского национального университета Ки-Ха Хон заявил , что модель дает практическое правило для прогнозирования влияния длины органического спейсера на экситонные свойства двумерных перовскитов. Разработка может ускорить поиск материалов для более ярких светодиодов, эффективных солнечных элементов, фотодетекторов и других оптоэлектронных устройств, где поведение экситонов нужно настраивать заранее, а не подбирать методом проб и ошибок.
Авторы признают ограничения подхода. Модель проверили на однородной серии материалов с минимальными структурными искажениями, поэтому для более сложных перовскитов с одновременным изменением структуры и диэлектрической среды расчеты потребуют осторожности. Дальнейшие исследования должны показать, насколько широко новое правило можно применять к семейству гибридных органико-неорганических полупроводников. Работа опубликована в журнале <em>Advanced Functional Materials</em>.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
