[논문 리뷰] Imaging Light-Induced Migration of Dislocations in Halide Perovskites with 3D Nanoscale Strain Mapping

Kieran W. P. Orr, Jiecheng Diao외 15명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 19.

Optical Coherence Tomography Applications인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 삼키드론 브라그 공명 회절 영상(BCDI)을 이용해 할라이드 퍼보스카이트 마이크로결정에서 3차원 나노스케일 변형률장을 실시간으로 시각화하며, 빛에 의해 〈100〉 및 〈110〉 모서리 불완전성들이 수백 나노미터에 걸쳐 이동하는 것을 밝혀냈다. 이 작업은 불빛에 의한 유도와 변형률의 비균일성이 동적으로 작용하며 재료의 열화와 변형된 광전자 성질과 강하게 연관됨을 보여주었다.

ABSTRACT

In recent years, halide perovskite materials have been used to make high performance solar cell and light-emitting devices. However, material defects still limit device performance and stability. Here, we use synchrotron-based Bragg Coherent Diffraction Imaging to visualise nanoscale strain fields, such as those local to defects, in halide perovskite microcrystals. We find significant strain heterogeneity within MAPbBr$_{3}$ (MA = CH$_{3}$NH$_{3}^{+}$) crystals in spite of their high optoelectronic quality, and identify both $\langle$100$ angle$ and $\langle$110$ angle$ edge dislocations through analysis of their local strain fields. By imaging these defects and strain fields in situ under continuous illumination, we uncover dramatic light-induced dislocation migration across hundreds of nanometres. Further, by selectively studying crystals that are damaged by the X-ray beam, we correlate large dislocation densities and increased nanoscale strains with material degradation and substantially altered optoelectronic properties assessed using photoluminescence microscopy measurements. Our results demonstrate the dynamic nature of extended defects and strain in halide perovskites and their direct impact on device performance and operational stability.

연구 동기 및 목표

• 고품질 할라이드 퍼보스카이트 마이크로결정에서 3차원 나노스케일 해상도로 나노스케일 변형률장을 시각화한다.
• 작동 조건 하에서 확장된 결함, 예를 들어 불완전성의 동적 거동을 조사한다.
• 불완전성 역학과 변형률 비균일성 간의 상관관계를 퍼보스카이트의 광전자 열화와 연결한다.
• 나노스케일 변형률과 결함 이동성의 역할이 장치 안정성과 성능을 제한하는 데 기여하는 바를 이해한다.
• X선과 빛에 의해 유도된 손상과 증가한 불완전성 밀도 및 변형률 간의 인과관계를 규명한다.

제안 방법

• 나노미터 해상도로 3차원 원자 이동장치를 재구성하기 위해 싱크로트론 기반 브라그 공명 회절 영상(BCDI)을 사용하였다.
• 실시간 결함 역학을 탐색하기 위해 연속적인 가시광선 조명 하에서 현장 BCDI 측정을 수행하였다.
• 제어된 손상을 유도하기 위해 X선 빔 조사 조건을 적용하고, 불완전성 형성 및 변형률과의 상관관계를 연구하였다.
• 손상 이전 및 이후의 광전자 성질을 평가하기 위해 고스펙트럼 및 공명형 광발광 현미경을 수행하였다.
• 복잡한 회절 패tern을 3차원 이동도 지도로 재구성하기 위해 위상 복원 알고리즘을 적용하였다.
• 특징적인 변형률 서명을 통해 〈100〉 및 〈110〉 모서리 불완전성을 식별하기 위해 불완전성 주변의 변형률장을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속 조명 조건에서 할라이드 퍼보스카이트 마이크로결정의 불완전성은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 3차원적으로 빛에 의해 유도된 불완전성 이동의 공간적 범위와 특성은 무엇인가?
• RQ3 나노스케일 변형률장은 〈100〉 및 〈110〉 모서리 불완전성과 같은 결함 유형과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ4 X선 빔 조사가 어느 정도 불완전성 형성과 변형률 비균일성을 유도하는가?
• RQ5 불완전성 밀도 및 변형률 변화는 광발광과 같은 광전자 성질 변화와 어떻게 상관관계가 있는가?

주요 결과

• macroscopic 결함이 없는 상태에서도 고품질의 MAPbBr3 마이크로결정에서 심한 변형률 비균일성이 관찰되었다.
• 3차원에서 특징적인 국소 변형률장을 통해 〈100〉 및 〈110〉 모서리 불완전성이 명확히 식별되었다.
• 연속 조명 조건에서 불완전성이 300 nm 이상의 거리를 이동하는 것으로 나타나, 동적인 결함 이동이 일어남을 시사하였다.
• X선 빔 조사로 인해 재료 열화가 발생하였으며, 이는 불완전성 밀도 증가 및 나노스케일 변형률 상승과 상관관계가 있었다.
• 광발광 현미경 측정을 통해 X선 손상된 결정에서 광전자 성질에 상당한 변화가 나타났으며, 이는 결함 축적과 관련이 있었다.
• 결과적으로, 확장된 결함과 변형률은 정적인 것이 아니라 작동 조건 하에서 활발히 변화하며 직접적으로 장치 안정성에 영향을 준다는 것이 입증되었다.