[論文レビュー] Donor-acceptor discrete optical emission in 2D perovskites

Setatira Gorji, Marie Kreĉmarová+13 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2022

Perovskite Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、2次元 lead ハライドペロブスカイトにおいて、離散的ドナー・アクセプター対（DAP）光学遷移の直接的実験的証明を提供し、~120 μeV の亜 meV ライン幅と 5–8 ns の長い放射性崩壊時間を達成した。DAP状態は、厚さの大きい相（n ≥ 2）におけるメチルアンモニウムカチオンに起因し、鉛の位置ずれを引き起こし、局在的 DAP 中心を形成する。これにより、室温下での光エレクトロニクスおよび量子フォトニクスデバイス用途に適した鋭い明るい発光が可能となる。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) van der Waals nanomaterials have attracted considerable attention for potential use in photonic and optoelectronic applications in the nanoscale, due to their outstanding electrical and optical properties, differing from their bulk state. Currently, 2D perovskite belonging to this group of nanomaterials is widely studied for a wide range of optoelectronic applications. Thanks to their excitonic properties, 2D perovskites are also promising materials for photonics and nonlinear devices working at room temperature. Nevertheless, strong excitonic effects can reduce the photocurrent characteristics when using thinner perovskites phases. In this work, we present solid experimental evidence for the presence of single donor-acceptor pair optical transitions in 2D Lead Halide Perovskites, characterized by sub meV linewidths ($\simeq 120 μeV$) and long decay times (5-8 ns). Micro-photoluminescence evidence is supported by detailed Photoemission measurements, and a model simulation. The association of Phenethylammonium with Methylammonium cations, the latter molecule being only present in 2D Halide Perovskites with thicker phases $n \geq 2$, has been identified as the source of the donor-acceptor pair formation, corresponding to the displacement of lead atoms and their replacement by methylamonium. Our seminal study of discrete Donor-Acceptor Pair (DAP) sharp and bright optical transitions in 2D Lead Halide Perovskites opens new routes to implement DAP as the carrier sources for novel designs of optoelectronic devices with 2D perovskites, and will foster the development of future outstanding properties in non-linear quantum technologies.

研究の動機と目的

• 2次元 lead ハライドペロブスカイトにおける離散的ドナー・アクセプター対（DAP）光学遷移の特定および特性評価。
• n ≥ 2 相を示す2次元ペロブスカイトにおける鋭い明るい光学発光の起源の特定。
• 鉛の位置ずれを介してメチルアンモニウムカチオンが DAP 中心を形成する役割の確立。
• 光エレクトロニクス応用に向けた DAP 状態と強化された光励起発光特性の関連付け。
• マイクロ光励起分光法、光電子分光法、およびシミュレーションを用いた DAP 遷移の実験的妥当性の検証。

提案手法

• 室温下での発光スペクトルおよび崩壊ダイナミクス測定に、マイクロ光励起分光法（μ-PL）および μ時間分解光励起分光法（μ-TRPL）を用いた。
• 405 nm、450 nm、532 nm、660 nm の励起レーザーを用いた共焦点顕微鏡法により、空間分解能の高い光学的特性評価が可能となった。
• Elettra の ALOISA ビームラインおよび SPECS システムを用いた高分解能 X線光電子分光法（HR-XPS）により、化学状態および表面組成が確認された。
• 638 nm の励起を用いたマイクロラーマン分光法により、格子励振モードおよび構造的特徴がプローブされた。
• モデルのシミュレーションを用いて、実験データの解釈および DAP 遷移の特定を支援した。
• Si サブストレート上での 2次元ペロブスカイト結晶（PEA2PbI4 および PEA2MAPb4I7）の機械的剥離により、高品質で欠陥が少ない試料の調製が実現された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 n ≥ 2 の2次元ペロブスカイトで観察される鋭い亜 meV 光学遷移線の原因は何か？
• RQ2 メチルアンモニウムカチオンは、2次元ペロブスカイトにおけるドナー・アクセプター対状態の形成にどのように寄与するか？
• RQ3 観察された 5–8 ns の長い放射性崩壊時間の起源は何か？
• RQ4 DAP 遷移は、2次元ペロブスカイトにおいて、励起子的または欠陥関連発光と実験的に区別可能か？
• RQ5 DAP 状態は、光エレクトロニクスおよび量子フォトニクスデバイス応用に向け、どれほど優れた光学的特性を向上可能にするか？

主な発見

• n ≥ 2 の2次元ペロブスカイトにおいて、離散的ドナー・アクセプター対（DAP）光学遷移の亜 meV ライン幅が約 120 μeV で測定された。
• DAP 発光は 5–8 ns の長い放射性崩壊時間を示し、高い放射効率を示している。
• 厚さの大きい2次元ペロブスカイト相（n ≥ 2）におけるメチルアンモニウムカチオンの存在が、鉛の位置ずれを介した DAP 形成の原因であると特定された。
• HR-XPS により、n ≥ 2 相にフェニルエチルアンモニウムおよびメチルアンモニウムカチオンの共存が確認され、DAP の起源を支持した。
• マイクロPLおよびラーマン測定により、室温下での DAP 状態の構造的および電子的安定性が確認された。
• 本研究は、今後の2次元ペロブスカイトベースの光エレクトロニクスおよび非線形量子デバイスに向け、DAP 遷移を実用的で明るく狭帯域の光学光源として利用可能であると確立した。