[論文レビュー] Metallicity and conductivity crossover in white light illuminated CH$_3$NH$_3$PbI$_3$ perovskite

A. Pisoni, Jaćim Jaćimović+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2016

Perovskite Materials and Applications参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、白色光照射下における単結晶 CH₃NH₃PbI₃ペロブスカイトの電気的輸送特性を調査し、拡張状態と浅い局在化欠陥状態が共存することによって、抵抗率における半導体的性質から金属的性質への遷移が生じることを明らかにした。主な発見は、高品質な結晶が白色光照射下で室温まで金属的伝導を示すことであり、中性欠陥から生じる長寿命のキャリアを示す、新しい電子状態が存在することを示している。

ABSTRACT

The intrinsic d.c. electrical resistivity ($ρ$) - measurable on single crystals only - is often the quantity first revealing the properties of a given material. In the case of CH$_3$NH$_3$PbI$_3$ perovskite measuring $ρ$ under white light illumination provides insight into the coexistence of extended and shallow localized states (0.1 eV below the conduction band). The former ones dominate the electrical conduction while the latter, coming from neutral defects, serve as a long-lifetime charge carrier reservoir accessible for charge transport by thermal excitation. Remarkably, in the best crystals the electrical resistivity shows a metallic behaviour under illumination up to room temperature, giving a new dimension to the material in basic physical studies.

研究の動機と目的

• 白色光照射下における CH₃NH₃PbI₃ペロブスカイトの内在的ドーピング電気抵抗率を理解すること。
• 拡張状態および浅い局在化電子状態が電気伝導に果たす役割を調査すること。
• 高品質なペロブスカイト単結晶が室温で金属的性質を示すメカニズムを探索すること。
• 中性欠陥が提供する長寿命キャリア貯蔵層の特性を特定すること。

提案手法

• 白色光照射下における高品質な CH₃NH₃PbI₃単結晶のドーピング電気抵抗率の測定。
• 温度依存的抵抗率測定を用いた伝導メカニズムの同定。
• 伝導帯付近（0.1 eV 未満）の電子状態の分析により、拡張状態と局在化状態を区別すること。
• 抵抗率の挙動と欠陥状態、特に熱励起によって利用可能なキャリア貯蔵層を形成する中性欠陥との相関を検討すること。
• 異なる結晶品質における抵抗率の傾向を比較し、内在的電子的挙動を分離すること。
• 輸送モデルの適用により、半導体的伝導から金属的伝導への遷移を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 白色光照射が CH₃NH₃PbI₃ペロブスカイト単結晶の電気的抵抗率に及ぼす影響は何か？
• RQ2 白色光照射下で室温で観察される金属的抵抗率挙動の起源は何か？
• RQ3 中性欠陥に起因する浅い局在化状態が、材料内でのキャリア輸送にどのように寄与するか？
• RQ4 白色光照射下において、高品質なペロブスカイト結晶で拡張状態が伝導を支配する程度はどの程度か？
• RQ5 欠陥状態が長寿命キャリア貯蔵層を形成する役割を果たす仕組みは何か？

主な発見

• 高品質な CH₃NH₃PbI₃単結晶は、白色光照射下で室温まで金属的抵抗率を示す。
• 抵抗率の挙動に半導体的伝導から金属的伝導への遷移が観察され、支配的キャリア輸送メカニズムの変化を示している。
• 伝導帯付近（0.1 eV 以内）の拡張状態が、白色光照射下での電気伝導を支配している。
• 中性欠陥に起因する浅い局在化状態が、熱励起によって利用可能な長寿命キャリア貯蔵層として機能している。
• 拡張状態と局在化状態の共存が、複雑な輸送挙動を可能にし、特に最高品質の結晶で金属的伝導が顕在化している。
• 白色光照射下における内在的ドーピング抵抗率測定により、ペロブスカイトの電子構造および欠陥物理学に関する新たな知見が得られた。