[논문 리뷰] Band-edge Exciton Fine Structure and Exciton Recombination Dynamics in Single crystals of Layered Hybrid Perovskites

Hong‐Hua Fang, Jie Yang외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 25.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 투과형 광학 스펙트로스코피 및 일시적 광발광 스펙트로스코피를 이용하여 층상 하이브리드 퍼보스카이트 (PEA)₂PbI₄의 고품질 단일결정에서 밴드 에지 엑시톤 미세 구조와 복구 동역학을 조사한다. 실온에서의 내재 엑시톤 수명이 185 ns임을 규명하였고, 표면 복구 속도는 2×10³ cm/s이며, 10 meV의 밝은/어두운 엑시톤 분리가 관측되었으며, 45 meV의 결합 에너지와 80 ps 수명을 가진 비엑시톤 발광이 실온에서 관측되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이중 차원 하이브리드 퍼보스카이트에서 밴드 에지에서의 복잡한 엑시톤 행동을 이해하기 위해.
• 고품질 단일결정에서 밝은 상태와 어두운 상태를 포함한 엑시톤의 미세 구조를 규명하기 위해.
• 내부 및 표면 기여를 구분하여 엑시톤 복구 동역학을 정량화하기 위해.
• 층상 퍼보스카이트에서 실온에서 비엑시톤 상태를 식별하고 특성화하기 위해.
• 저온에서 전자-정공 스핀 상호작용이 엑시톤 분리에 미치는 영향을 규명하기 위해.

제안 방법

• 결함을 최소화하고 정밀 측정을 가능하게 하기 위해 고품질 (PEA)₂PbI₄ 단일결정을 사용하였다.
• 피코초 시간 스케일에서 엑시톤 및 비엑시톤 복구 동역학을 해상하기 위해 일시적 광발광 스펙트로스코피를 활용하였다.
• 전자-정공 스핀 상호작용으로 인한 엑시톤 상태 분리 현상을 관찰하기 위해 저온 광학 측정을 수행하였다.
• 내부 및 표면 엑시톤 수명을 비교하여 표면 복구 속도를 추출하였다.
• 광발광 감쇠 동역학 분석을 통해 내재 엑시톤 수명과 밝은/어두운 상태의 분리 에너지를 추정하였다.
• 보조 자료를 활용하여 스펙트럼 분석 및 데이터 검증을 지원하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 (PEA)₂PbI₄ 단일결정에서 실온에서의 내재 엑시톤 수명은 얼마인가요?
• RQ2 표면 복구는 엑시톤 동역학에 어떤 영향을 미치며, 표면 복구 속도는 얼마인가요?
• RQ3 밝은 상태와 어두운 상태 엑시톤 간의 에너지 분리는 얼마이며, 전자-정공 스핀 상호작용에 의해 어떻게 영향을 받는가요?
• RQ4 실온에서 비엑시톤 발광를 관찰할 수 있으며, 그 결합 에너지와 수명은 각각 얼마인가요?
• RQ5 양자적 및 유전율 구속 효과는 2차원 퍼보스카이트의 엑시톤 미세 구조에 어떻게 나타나나요?

주요 결과

• (PEA)₂PbI₄ 단일결정에서 실온에서의 내재 엑시톤 수명은 185 ns이다.
• 표면 복구 속도는 2×10³ cm/s로 결정되었으며, 이는 중간 수준의 표면 비복사 손실을 나타낸다.
• 저온에서 전자-정공 스핀 상호작용으로 인해 10 meV의 밝은/어두운 엑시톤 분리 에너지가 관측되었다.
• 실온에서 비엑시톤 발광가 확인되었으며, 약 45 meV의 결합 에너지와 80 ps의 수명을 가졌다.
• 일시적 광발광을 통해 저에너지 어두운 엑시톤 상태가 해상되었으며, 다수의 엑시톤 상태 존재가 확인되었다.
• 강한 엑시톤 효과가 2차원 퍼보스카이트에서 유전율 스크리닝 및 강한 구속 효과로 인해 실온에서도 유지됨을 입증하였다.