[論文レビュー] Photoluminescence Blinking beyond Quantum-Confinement: Spatiotemporally Correlated Intermittency over Entire Micron Sized Perovskite Polycrystalline Disks

Nithin Pathoor, Ansuman Halder+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2018

Perovskite Materials and Applications被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、大気条件下におけるマイクロメートルサイズのオルガノ lead ブロマイドペロブスカイト多結晶ディスクにおいて、空間的・時間的相関を持つ光励起発光の点滅を明らかにした。これは、最大約4 μmの距離にわたり長距離のキャリア通信を可能にする。この現象は、励起キャリアが一時的で非放射的トラップへ相関的に移動することに起因し、点滅行動はトラップの存在と性質と強く関連しており、従来の量子閉じ込め系ナノ構造に限局するとされる点滅の概念に挑戦するものである。

ABSTRACT

Abrupt fluorescence intermittency or blinking is long recognized to be characteristic of single nano-emitters. Extended quantum-confined nanostructures also undergo spatially heterogeneous blinking, however, there is no such precedence in dimensionally unconfined (bulk) materials. Here, we report multi-level blinking of entire individual organo-lead bromide perovskite micro-crystals (volume 0.1-3 micron-cuble) under ambient conditions. Extremely high spatiotemporal correlation (>0.9) in intra-crystal emission intensity fluctuations signifies effective communication amongst photogenerated carriers at distal locations (up to ~4 microns) within each crystal. Fused polycrystalline grains also exhibit this intriguing phenomenon, which is rationalized by correlated and efficient migration of carriers to a few transient non-radiative traps, the nature and population of which determine blinking propensity. Observation of spatiotemporally correlated emission intermittency in bulk semiconductor crystals opens up the possibility to design novel devices involving long range (mesoscopic) electronic communication.

研究の動機と目的

• 次元的に閉じ込められていない（バルク的）ペロブスカイトマイクロ結晶における光励起発光点滅を調査し、点滅が量子閉じ込め系ナノ構造に限定されるという仮定に挑戦すること。
• マイクロメートルサイズの結晶内で発光強度の揺らぎに見られる長距離の空間的・時間的相関の起源を理解すること。
• 一時的で非放射的トラップが、最大約4 μmの距離にわたり相関点滅を媒介する役割を果たすメカニズムを調査すること。
• 多結晶ペロブスカイト膜が単結晶と同様の相関点滅を示すかどうかを検討すること。
• バルク半導体におけるキャリア移動ダイナミクスと点滅傾向を結びつける枠組みを確立すること。

提案手法

• 時間分解光励起発光顕微鏡を用いて、個々のマイクロメートルサイズのペロブスカイトマイクロ結晶および多結晶ディスクにおける発光強度の揺らぎをマップした。
• 同一結晶内において空間的に分離した領域からの発光強度トレースの相互相関解析により、空間的・時間的相関を定量化し、相関値が0.9を超えた。
• 実環境下での測定を実施し、点滅現象の現実世界での安定性と関連性を評価した。
• 結晶内発光ダイナミクスの解析から、一時的で非放射的トラップへの相関的キャリア移動が支配的メカニズムであると特定した。
• 点滅行動に及ぼす格子界面効果を評価するため、単結晶と多結晶試料を比較した。
• 補足情報として、再現性を確保するための詳細な実験プロ rotocols とデータ妥当性の分析を含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次元的に閉じ込められていないペロブスカイト結晶において、量子閉じ込め領域を超えて強力な空間的・時間的相関を持つ光励起発光点滅が生じ得るか？
• RQ2 1つのペロブスカイトマイクロ結晶内で、発光揺らぎが相関を保つ最大の空間的範囲はどの程度か？
• RQ3 一時的で非放射的トラップは、バルク的ペロブスカイト材料における点滅ダイナミクスと相関にどのように影響を与えるか？
• RQ4 融合した結晶からなる多結晶ペロブスカイト膜においても、相関点滅現象は保持されるか？
• RQ5 1つの結晶内で遠く離れた位置にいる励起キャリア間で、効果的な通信を可能にする物理的メカニズムは何か？

主な発見

• 個々のペロブスカイトマイクロ結晶内で、最大約4 μmの距離に離れた領域間でも、発光強度の揺らぎに空間的・時間的相関が0.9を上回って観測された。
• 大気条件下でも、個々のマイクロメートルサイズのペロブスカイトマイクロ結晶で多段階の点滅が観察され、持続的で複雑な発光間欠性が示された。
• 融合した多結晶粒は同じ相関点滅行動を示し、格子界面が長距離キャリア通信を妨げないことが示された。
• 点滅傾向は、一時的で非放射的トラップの性質と存在数に支配されており、励起キャリアの集団的吸収源として機能している。
• 結果として、バルク半導体においても長距離（中間スケール）の電子的結合が可能であることが示され、このような効果が量子ドットに限定されるという考えに挑戦するものである。
• キャリアが空間的に分散した一時的トラップへ移動するメカニズムが、観測された相関を規定しており、マイクロスケールの距離にわたり一貫した発光ダイナミクスを可能にしている。