[論文レビュー] Band-edge Exciton Fine Structure and Exciton Recombination Dynamics in Single crystals of Layered Hybrid Perovskites

Hong‐Hua Fang, Jie Yang+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2019

Perovskite Materials and Applications参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、高品質な単結晶(PEA)2PbI4を用いて、層状ハイブリッドペロブスカイトにおけるバンド端励起子の微細構造および再結合ダイナミクスを、一時的光励起分光法および光学分光法を用いて調査した。室温での固有励起子寿命が185 ns、表面再結合速度が2×10³ cm/sであることが明らかになり、10 meVの明励起子／暗励起子分裂が特定された。さらに、45 meVの結合エネルギーおよび80 psの寿命を有するバイエキシトン発光が観測された。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) perovskite materials have recently re-attracted intense research interest for applications in photovoltaics and optoelectronics. As a consequence of the dielectric and quantum confinement effect, they show strongly bound and stable excitons at room temperature. In this report, the band-edge exciton fine structure and in particular its exciton and biexciton dynamics in high quality crystals of (PEA)2PbI4 are investigated. A comparison of bulk and surface exciton lifetimes yields a room temperature surface recombination velocity of 2x10^3cm/s and an intrinsic lifetime of 185ns. Biexciton emission is evidenced at room temperature, with binding energy of about 45meV and a lifetime of 80ps. At low temperature, exciton state splitting is observed, which is caused by the electron-hole exchange interaction. Transient photoluminescence resolves the low-lying dark exciton state, with a bright/dark splitting energy estimated to be 10meV. This work contributes to understand the complex scenario of the elementary photoexcitations in 2D perovskites.

研究の動機と目的

• 2次元ハイブリッドペロブスカイトにおける複雑な励起子的挙動、特にバンド端での挙動を理解すること。
• 高品質単結晶における励起子の微細構造、特に明状態および暗状態を解明すること。
• 体積および表面の寄与を区別して、励起子再結合ダイナミクスを定量的に評価すること。
• 層状ペロブスカイトにおける室温でのバイエキシトン状態の特定および特性評価すること。
• 低温における電子・正孔交換相互作用が励起子分裂に与える影響を特定すること。

提案手法

• 欠陥を最小限に抑えた(PEA)2PbI4の高品質単結晶を用いて、正確な測定を可能にした。
• ピコ秒スケールでの励起子およびバイエキシトン再結合ダイナミクスを解明するために、一時的光励起分光法を用いた。
• 電子・正孔交換相互作用による励起子状態分裂を観察するために、低温光学測定を実施した。
• 体積および表面励起子寿命を比較することで、表面再結合速度を抽出した。
• 光励起分光の減衰キネティクスを分析して、固有励起子寿命および明／暗状態の分裂エネルギーを推定した。
• 補足資料を活用してスペクトル解析およびデータ妥当性を裏付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温における(PEA)2PbI4単結晶の固有励起子寿命は何か？
• RQ2 表面再結合は励起子ダイナミクスにどのように影響を及ぼすか？表面再結合速度は何か？
• RQ3 明励起子状態と暗励起子状態の間のエネルギー分裂は何か？また、電子・正孔交換相互作用によってどのように影響を受けるか？
• RQ4 バイエキシトン発光は室温で観測可能か？その結合エネルギーおよび寿命は何か？
• RQ5 量子的および誘電的閉じ込め効果は、2次元ペロブスカイトの励起子微細構造にどのように現れるか？

主な発見

• 室温における(PEA)2PbI4単結晶の固有励起子寿命は185 nsであった。
• 表面再結合速度は2×10³ cm/sと特定され、中程度の表面非放射的損失を示した。
• 低温で10 meVの明励起子／暗励起子分裂が観測され、これは電子・正孔交換相互作用に起因するとされた。
• 室温でバイエキシトン発光が確認され、結合エネルギーは約45 meV、寿命は80 psであった。
• 一時的光励起分光を用いて低エネルギーの暗励起子状態が解明され、複数の励起子状態が存在することが確認された。
• 本研究は、強いかつての閉じ込めおよび誘電的スクリーニングのおかげで、2次元ペロブスカイトにおいて室温でも強い励起子効果が持続することを示した。