[논문 리뷰] 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. Yakovlev외 12명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 30.

Perovskite Materials and Applications인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 60 T 이하의 자기장에서 자화율 분광법을 사용하여 고품질의 lead halide perovskite 결정에서 넓은 밴드 갭 범위(1.5–3.2 eV)에 걸쳐 유흥자 Landé g-인자 측정을 수행한다. 결과적으로 전자 및 정공 g-인자의 밴드 갭 에너지에 대한 상반된 의존성의 근사적 상쇄로 인해 유흥자 g-인자는 +2.3에서 +2.7 사이에서 거의 일정하게 유지되며, 이는 이방성의 상쇄로 인해 거의 등방성 거동을 나타낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고품질의 lead halide perovskite 단일 결정에서 넓은 밴드 갭 범위(1.5–3.2 eV)에 걸쳐 유흥자 Landé g-인자를 측정하기 위해.
• 하이브리드 유기-무기 및 완전 무기 perovskite에서 유흥자 g-인자가 밴드 갭 에너지에 따라 어떻게 변화하는지 조사하기 위해.
• 개별 전자 및 정공 g-인자의 강한 밴드 갭 의존성이 유흥자 g-인자에서 상쇄되는지 확인하기 위해.
• 테트라곤형 perovskite 시스템에서 유흥자 g-인자의 이방성과 등방성 여부를 평가하기 위해.
• 실험 결과를 perovskite에서 g-인자 거동에 대한 이론적 모델 계산과 비교하기 위해.

제안 방법

• 자기장 최대 60 T에서 자화율 분광법을 수행하여 자유 유흥자의 Zeeman 분열을 측정하였다.
• 조절 가능한 밴드 갭을 가진 FA₀.₉Cs₀.₁PbI₂.₈Br₀.₂, MAPbI₃, FAPbBr₃, CsPbBr₃, MAPb(Br₀.₀₅Cl₀.₉₅)₃의 고품질 단일 결정을 사용하였다.
• 비교를 위해 시간 해상도가 높은 Kerr 회전 및 스핀 전환 라만 산란을 통해 전자 및 정공 g-인자를 측정하였다.
• k·p 섭동 이론을 적용하여 스핀-오르빗 결합 및 밴드 이방성 기여를 포함한 g-인자를 모델링하였다.
• 병렬( gX∥) 및 수직( gX⊥) 자기장 방향에 대한 별개의 표현식을 사용하여 유흥자 g-인자를 gX = ge + gh로 계산하였다.
• k·p 혼합에 의한 전도대 및 가邴olute대의 1/Eg 항이 상쇄되는 모델 방정식을 사용하여 밴드 갭에 대한 네트워크 의존성이 약한 이유를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 lead halide perovskite에서 유흥자 Landé g-인자는 밴드 갭 에너지에 따라 강한 분산을 보이는가?
• RQ2 전자 및 정공 g-인자의 상반된 밴드 갭 의존성이 유흥자 g-인자에서 어느 정도 상쇄되는가?
• RQ3 테트라곤형 perovskite에서 양성자 g-인자가 이방적이지만 유흥자 g-인자는 등방적인가?
• RQ4 g-인자에 대한 이론적 모델 계산은 고자기장 실험 데이터와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 스핀-오르빗 결합 및 밴드 이방성이 총 유흥자 g-인자를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 유흥자 g-인자(gX)는 1.520 eV에서 3.213 eV까지 넓은 밴드 갭 범위에서 거의 일정하게 유지되며, +2.3에서 +2.7 사이로 변동한다.
• gX의 약한 분산은 전자 및 정공 g-인자의 강한 밴드 갭 의존성의 근사적 상쇄로 인해 발생한다.
• 전자 및 정공 g-인자의 이방성은 상호 보완적으로 작용하여 거의 등방성인 유흥자 g-인자를 초래한다.
• gX에 대한 실험 데이터는 k·p 섭동 이론에 기반한 이론적 모델 계산과 뛰어난 일치를 보인다.
• 모델 계산은 전도대 및 가邴olute대에서의 k·p 혼합에 기인한 1/Eg 항이 gX = ge + gh 합계에서 상쇄됨을 확인한다.
• 어두운 유흥자 g-인자(ge − gh)는 밝은 유흥자보다 더 강한 밴드 갭 의존성을 보이며, 어두운 상태에서 스핀 반응성이 더 민감함을 나타낸다.