[論文レビュー] Weak Dispersion of Exciton Landé Factor with Band Gap Energy in Lead Halide Perovskites: Approximate Compensation of the Electron and Hole Dependences

N. E. Kopteva, D. R. Yakovlev+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2023

Perovskite Materials and Applications被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、最大60 Tの磁場を用いた磁気反射分光法により、高品質な lead ハライドペロブスカイト結晶における励起子 Landé g 因子を広いバンドギャップ範囲（1.5–3.2 eV）で測定した。励起子 g 因子は +2.3 から +2.7 の間でほぼ一定であり、電子と正孔の g 因子がバンドギャップエネルギーに反対の依存性を示すための近似的なキャンセレーションに起因する。また、異方性の相殺により、ほぼ等方的挙動を示す。

ABSTRACT

The photovoltaic and optoelectronic properties of lead halide perovskite semiconductors are controlled by excitons, so that investigation of their fundamental properties is of critical importance. The exciton Landé or g-factor g_X is the key parameter, determining the exciton Zeeman spin splitting in magnetic fields. The exciton, electron and hole carrier g-factors provide information on the band structure, including its anisotropy, and the parameters contributing to the electron and hole effective masses. We measure g_X by reflectivity in magnetic fields up to 60 T for lead halide perovskite crystals. The materials band gap energies at a liquid helium temperature vary widely across the visible spectral range from 1.520 up to 3.213 eV in hybrid organic-inorganic and fully inorganic perovskites with different cations and halogens: FA_{0.9}Cs_{0.1}PbI_{2.8}Br_{0.2], MAPbI_{3}, FAPbBr_{3}, CsPbBr_{3}, and MAPb(Br_{0.05}Cl_{0.95})_{3}. We find the exciton g-factors to be nearly constant, ranging from +2.3 to +2.7. Thus, the strong dependences of the electron and hole g-factors on the band gap roughly compensate each other when combining to the exciton g-factor. The same is true for the anisotropies of the carrier g-factors, resulting in a nearly isotropic exciton g-factor. The experimental data are compared favorably with model calculation results.

研究の動機と目的

• 高品質な lead ハライドペロブスカイト単結晶における広いバンドギャップ範囲（1.5–3.2 eV）における励起子 Landé g 因子を測定すること。
• ハイブリッド有機・無機および完全に無機のペロブスカイトにおける励起子 g 因子のバンドギャップエネルギー依存性を調査すること。
• 個々の電子および正孔 g 因子の強いバンドギャップ依存性が、励起子 g 因子において相殺されるかどうかを特定すること。
• テトラゴナルペロブスカイト系における励起子 g 因子の異方性を検討し、その等方性を評価すること。
• 実験結果とペロブスカイトにおける g 因子挙動の理論的モデル計算を比較すること。

提案手法

• 最大60 Tの磁場を用いた磁気反射分光法により、自由励起子のゼーマン分裂を測定した。
• バンドギャップを調整可能な FA₀.₉Cs₀.₁PbI₂.₈Br₀.₂、MAPbI₃、FAPbBr₃、CsPbBr₃、MAPb(Br₀.₀₅Cl₀.₉₅)₃ の高品質単結晶を用いた。
• 比較のため、時間分解 Kerr 回転およびスピン反転ラマン散乱を用いて電子および正孔 g 因子を測定した。
• k·p 偏微分法を用いて g 因子をモデル化し、スピン軌道結合およびバンドの異方性の寄与を含めた。
• 平行（gX∥）および垂直（gX⊥）な磁場方向に対して、それぞれ別個の式を用いて励起子 g 因子 gX = ge + gh を計算した。
• k·p 混合に起因する 1/Eg 項のキャンセレーションを分析するためのモデル式を用い、バンドギャップに弱いネット依存性が生じることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 lead ハライドペロブスカイトにおける励起子 Landé g 因子はバンドギャップエネルギーに強く分散するか？
• RQ2 電子と正孔の g 因子がバンドギャップに反対の依存性を示す場合、その相殺は励起子 g 因子においてどの程度顕著か？
• RQ3 テトラゴナルペロブスカイト系において、キャリアの g 因子が異方的であるにもかかわらず、励起子 g 因子は等方的か？
• RQ4 g 因子の理論的モデル計算は、高磁場実験データとどの程度一致するか？
• RQ5 スピン軌道結合およびバンドの異方性は、ネット励起子 g 因子を決定づける役割を果たすか？

主な発見

• 励起子 g 因子（gX）は、1.520 eV から 3.213 eV の広いバンドギャップ範囲にわたりほぼ一定であり、+2.3 から +2.7 の間で変動するにとどまる。
• gX の弱い分散は、電子および正孔 g 因子の強いバンドギャップ依存性が相殺されることに起因する。
• 電子および正孔 g 因子の異方性が互いに相殺され、結果として励起子 g 因子はほぼ等方的となる。
• gX の実験データは、k·p 偏微分法に基づく理論的モデル計算と良好に一致する。
• モデル計算により、価電子帯および導電帯における k·p 混合に起因する 1/Eg 項が、gX = ge + gh の和においてキャンセルされることが確認された。
• 暗黒励起子 g 因子（ge − gh）は明るい励起子よりも強いバンドギャップ依存性を示し、暗黒状態におけるスピン応答がより敏感であることが示唆される。