[논문 리뷰] Imaging Grain Structure in Halide Perovskites: Local Crystal Misorientation Influences Non-Radiative Recombination

Sarthak Jariwala, Hongyu Sun외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 26.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 57인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 전자 반산란 회절(EBSD) 및 공역광흡수형 발광(PL) 현미경을 사용하여 CH3NH3PbI3(MAPI) 박막에서 국소 결정 미정렬과 비복사 재결합 간의 상관관계를 분석한다. 높은 결정 경계 각도 분포(국소 응력과 아그레인 경계를 나타냄)는 직접적으로 발광 강도 감소로 이어지며, 이는 결정의 정렬 이질성과 비복사 재결합 손실 증가 간의 직접적인 연관성을 보여준다.

ABSTRACT

Characterizing the role of grain boundaries and grain orientation has remained an ongoing challenge in the field of halide perovskite semiconductors. We use electron backscatter diffraction (EBSD) images to map the local crystal orientations in CH3NH3PbI3 (MAPI) thin films, allowing identification of grains and grain boundaries. Although this grain structure is broadly consistent with the structures visible in conventional scanning electron microscopy (SEM) and optical microscopy data, the inverse pole figure (IPF) maps taken with EBSD reveal subtle internal crystal orientation variations of the grain structure. This local crystal misorientation leads to orientation spread within grains indicating the presence of local strain which varies from one grain to the next. Furthermore, we use crystallographic identification to demonstrate the presence of sub-grain boundaries and their location within grains. To quantify the impact of local grain structure on the local optoelectronic properties, we also acquire co-aligned confocal optical photoluminescence (PL) microscopy images on the same MAPI samples used for EBSD. By correlating the optical and EBSD data, we find that the PL is anticorrelated with the local grain orientation spread taken near the film surface, suggesting that grains with higher degrees of crystalline orientational heterogeneity exhibit more non-radiative recombination. These results provide critical insight into the interplay between local crystal orientation heterogeneity and local non-radiative recombination in halide perovskite thin films.

연구 동기 및 목표

• 할라이드 페로브스카이트 박막에서 국소 결정 미정렬이 비복사 재결합에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• CH3NH3PbI3(MAPI) 박막에서 전자 반산란 회절(EBSD)을 사용하여 결정립의 구조 및 정렬 변화를 맵핑하기 위해.
• EBSD 데이터의 결정학적 분석을 통해 아그레인 경계와 국소 응력을 식별하기 위해.
• 공통으로 정렬된 발광 현미경을 통해 EBSD에서 유도된 결정학적 파라미터와 광전기 성능 간의 상관관계를 설정하기 위해.
• MAPI 박막에서 정렬 각도 분포가 국소 비복사 재결합에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• CH3NH3PbI3(MAPI) 박막에서 국소 결정 정렬과 결정립 경계를 맵핑하기 위해 전자 반산란 회절(EBSD)을 활용하였다.
• EBSD 데이터로부터 역극도도수(IPF) 맵을 생성하여 결정학적 정렬 변화를 각 결정립 내에서 시각화하였다.
• 국소 결정 이질성과 응력 분포의 지표로 하여금 결정립 정렬 각도 분포를 계산하였다.
• 개별 결정립 내에서 결정학적 정렬 기울기의 공간 기울기를 이용하여 아그레인 경계를 식별하였다.
• 동일한 MAPI 샘플에서 공통으로 정렬된 공역광흡수형 발광(PL) 현미경 영상을 확보하여 국소 광전기 반응을 평가하였다.
• PL 강도를 EBSD에서 유도된 정렬 각도 분포와 상관관계를 설정하여 국소 미정렬이 비복사 재결합에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결정립 내 국소 결정 미정렬이 할라이드 페로브스카이트 박막에서 비복사 재결합에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 아그레인 경계는 결정립 내 어디에 위치해 있으며, 국소 응력과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ3 MAPI 박막에서 결정립 정렬 각도 분포와 발광 강도 사이에 측정 가능한 반비례 관계가 존재하는가?
• RQ4 국소 결정 이질성이 페로브스카이트 반도체의 광전기 성능에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 EBSD와 PL 현미경을 효과적으로 융합하여 미세구조와 재결합 손실 간의 관계를 맵핑할 수 있는가?

주요 결과

• EBSD 맵핑을 통해 결정립 내부의 미세한 결정 정렬 변화를 확인하였으며, 이는 다양한 결정립 간의 국소 응력 이질성을 시사한다.
• EBSD 데이터의 결정학적 정렬 기울기 공간 기울기를 통해 개별 결정립 내 아그레인 경계를 식별하였다.
• 더 높은 결정 정렬 이질성을 보이는 결정립에서는 발광 강도가 감소하는 경향을 보였다.
• 국소 결정립 정렬 각도 분포와 표면 발광 강도 사이에 명확한 반비례 관계를 관찰하였으며, 이는 정렬이 어긋난 영역에서 비복사 재결합이 증가함을 시사한다.
• macroscopic 결정립 경계가 없더라도 결정립 내부의 국소 응력과 정렬 각도 분포는 비복사 재결합 증가와 관련이 있다.
• 이러한 발견들은 국소 결정 미정렬이 매크로스코픽 결정립 경계를 초월하여 할라이드 페로브스카이트의 광전기 성능에 상당한 영향을 미친다는 것을 입증한다.