[논문 리뷰] Donor-acceptor discrete optical emission in 2D perovskites

Setatira Gorji, Marie Kreĉmarová외 13명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 13.

Perovskite Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 두께가 두꺼운 2차원 수은 할라이드 퍼보스카이트에서 메틸아미늄 카이온에 의해 유도된 Pb 이방성과 함께 국소화된 DAP 중심을 형성함으로써, 2D 퍼보스카이트에서 이산적인 기여자-수용체 쌍(DAP) 광학 전이에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공한다. 이 전이는 ~120 μeV의 초미세 스펙트럼 폭과 5–8 ns의 긴 복사 감쇠 시간을 기록하며, 실온에서 광전자 및 양자 광학 장치에 활용 가능한 날카럽고 밝은 발광을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 2D 수은 할라이드 퍼보스카이트에서 이산적인 기여자-수용체 쌍(DAP) 광학 전이를 규명하고 특성화하는 것.
• n ≥ 2 상에서 관찰된 날카롭고 밝은 광학 발광의 기원을 규명하는 것.
• 메틸아미늄 카이온이 Pb 이동을 통해 DAP 중심을 형성하는 역할을 규명하는 것.
• DAP 상태가 광전자 응용을 위한 향상된 형광 특성과 어떻게 연결되는지 밝히는 것.
• 미세 광발광, 광전자 방출 및 시뮬레이션을 통한 DAP 전이의 실험적 검증을 제공하는 것.

제안 방법

• 실온에서 발광 스펙트럼과 감쇠 역학을 측정하기 위해, 미세 광발광(μ-PL) 및 μ시간분 giải 광발광(μ-TRPL)을 사용하였다.
• 공초점 현미경을 405 nm, 450 nm, 532 nm 및 660 nm의 조명 레이저를 사용하여 공간 해상도가 높은 광학 특성 분석을 수행하였다.
• ALOISA 비임계선(Elettra)과 SPECS 시스템에서의 고해상도 X선 광전자 방출 분석(HR-XPS)을 통해 화학적 상태와 표면 조성을 확인하였다.
• 638 nm 조명을 사용한 미세 라만 분석을 통해 격자 동역학과 구조적 특성을 탐측하였다.
• 모델 시뮬레이션을 통해 실험 데이터의 해석과 DAP 전이의 할당을 지원하였다.
• Si 기판 위에 기계적 분리법을 통해 2D 퍼보스카이트 결정(PEA2PbI4 및 PEA2MAPb4I7)을 고품질, 저결함 표면으로 제작하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 n ≥ 2 상에서 관찰된 날카롭고 sub-meV 광학 선선한 발광은 무엇에 기인하는가?
• RQ2 메틸아미늄 카이온은 2D 퍼보스카이트에서 기여자-수용체 쌍 상태 형성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 관찰된 5–8 ns의 긴 복사 감쇠 시간의 기원은 무엇인가?
• RQ4 DAP 전이가 2D 퍼보스카이트에서 엑시톤성 또는 결함 관련 발광과 어떻게 실험적으로 구별될 수 있는가?
• RQ5 DAP 상태는 광전자 및 양자 광학 장치 응용을 위한 향상된 광학 특성을 어느 정도 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• n ≥ 2 상에서 이산적인 기여자-수용체 쌍(DAP) 광학 전이에 대해 약 ~120 μeV의 sub-meV 스펙트럼 폭이 측정되었다.
• DAP 발광는 5–8 ns의 긴 복사 감쇠 시간을 나타내어 높은 복사 효율성을 시사한다.
• 두꺼운 2D 퍼보스카이트 상(n ≥ 2)에서 메틸아미늄 카이온의 존재가 Pb 이동을 통해 DAP 형성의 원천으로 확인되었다.
• HR-XPS는 n ≥ 2 상에서 페닐에틸아미늄 및 메틸아미늄 카이온의 공존을 확인하여 DAP 기원을 뒷받침하였다.
• 미세 PL 및 라만 측정은 실온에서 DAP 상태의 구조적 및 전자적 안정성을 확인하였다.
• 이 연구는 향후 2D 퍼보스카이트 기반 광전자 및 비선형 양자 장치를 위한 실현 가능하고 밝으며 좁은 광학 소스로 DAP 전이를 확립하였다.