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  • 利用光學探針實現鈣鈦礦材料的時空動力學研究

    作者:LabBang譯 來源:https://phys.org/ 時間:2019-12-26 15:40 閱讀:465 [投稿]
    劍橋大學和牛津大學的一個研究小組最近進行了一項研究,旨在發現鈣鈦礦材料中的電荷載流子動力學。他們的研究發表在《自然物理學Nature Physics》雜志上,專門研究了甲基銨碘化鉛鈣鈦礦薄膜吸收光子后載流子的時空動力學。

    混合有機或無機鹵化物鈣鈦礦是一類獨特的太陽能電池材料,它打破了已有30多年的材料設計規則。例如,盡管它們在宏觀上有著豐富的缺陷和無序,但仍能獲得極高的性能。 

    這種無序的質量與目前用于制造電子產品的更傳統的無機半導體形成了鮮明的對比。此外,它們的形態使得量化空間傳輸參數變得更加困難,而這些參數對于優化器件結構至關重要。 

    半導體器件的性能從根本上取決于材料內部的載流子動力學。雖然許多研究人員試圖更好地了解這些動力學,但許多問題仍然沒有答案。 

    例如,電荷載流子(如電子)通過這些材料的彈道傳輸,也稱為彈道傳輸,迄今為止被認為在實現太陽能光伏(PVs)和發光二極管的功能方面沒有發揮相關作用。這是因為這種傳播在載波產生后,通過一種稱為散射的過程,很快就會被破壞。

     

    劍橋大學和牛津大學的一個研究小組最近進行了一項研究,旨在發現鈣鈦礦材料中的電荷載流子動力學。他們的研究發表在《自然物理學Nature Physics》雜志上,專門研究了甲基銨碘化鉛鈣鈦礦薄膜吸收光子后載流子的時空動力學。 

    研究人員表示:“有趣的是,有機-無機鹵化物-鈣鈦礦雜化材料在低于200 fs的時間尺度上也顯示出了豐富的超快動力學,這一點到目前為止還沒有得到充分的探索。因此,我們尋求一種直接的探針,在飛秒時間尺度上,結合納米空間精度,直觀地觀察這些材料中的光誘導電荷載流子輸運行為。” 

    為了研究甲基銨碘化鉛鈣鈦礦薄膜中載流子的時空動力學,研究人員使用了具有極高時間分辨率和納米空間精度的時間分辨光學顯微鏡。他們使用一個高度空間限制的200納米的泵浦光來激發材料,這導致激發電子只在樣品的一小部分區域內產生。 

    研究人員解釋說:“通過將松散聚焦的探針光束傳送到材料上,并改變相對于泵浦光的時間延遲,可以記錄光生電子分布的空間動力學。由于我們正在比較隨時間變化的分布,空間精度不受光學衍射極限的限制,而受測量精度的限制。” 

    通過光學顯微鏡獲得的空間精度使研究人員能夠在材料內部10納米的長度尺度上分辨動力學。利用這種時間分辨光學顯微鏡技術,研究人員可以直接觀察電子的運動,甚至在幾十飛秒之內。 

    他們的研究收集了第一批清晰顯示鈣鈦礦材料在光子吸收后的功能的成像數據。他們發現,光子被吸收后,這些材料中的電子在前所未有的距離內迅速移動。 

    “在記錄光激發電子的動畫后,我們量化了每個快照的電子分布寬度,并記錄了平均平方位移,”研究人員說這種分析提供了電子的遷移率情況。 

    研究人員觀察到電子以5×106m s-1的速度在150nm以上移動,這幾乎是150nm距離上光速的1%。這種巨大的速度意味著在鹵化物中,鈣鈦礦中的電子以波狀的方式移動,正如量子力學中預測波粒二象性的理論所描述的那樣。 

    研究人員說:“這是一個非常令人驚訝的結果,因為人們長期以來一直認為,電子的量子力學行為在太陽能電池中很快就會崩潰,并讓位于‘經典’行為。” 

    這些觀測結果可能對新技術的發展產生重要影響,因為它們最終要求重新評估關于太陽能電池工作原理的現有理論,包括鈣鈦礦材料制成的太陽能電池和使用其他無機半導體制成的太陽能電池。事實上,與之前的大多數研究相反,這些發現表明量子行為存在于大多數運行的太陽能電池中。 

    研究人員說:“既然我們已經發現了這種史無前例的運輸機制,我們將開始研究其他材料,看看是否有一個通用的設計規則規定了彈道運輸的外觀。如果我們能建立這樣一個普遍的聯系,很可能證明它在我們考慮未來設計太陽能電池的方式上具有變革性。” 

    相關來源:https://phys.org/news/2019-12-unveils-spatiotemporal-dynamics-carriers-perovskite.html 

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