[論文レビュー] Imaging Grain Structure in Halide Perovskites: Local Crystal Misorientation Influences Non-Radiative Recombination

Sarthak Jariwala, Hongyu Sun+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2019

Perovskite Materials and Applications参考文献 57被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、電子バックストレーター回折（EBSD）と共焦点フォトリュミネッセンス（PL）顕微鏡を用い、CH3NH3PbI3（MAPI）薄膜内の局所的結晶歪みのずれと非放射再結合の相関を調査した。その結果、より高い結晶粒の方位散乱—局所的応力および準粒界を示す—が、PL強度の低下を引き起こすことが明らかになった。これは、結晶の方位の不均一性が非放射再結合損失を増加させることを直接的に示している。

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.

研究の動機と目的

• ハライドペロブスカイト薄膜内の局所的結晶のずれが非放射再結合に与える影響を調査すること。
• CH3NH3PbI3（MAPI）薄膜において、電子バックストレーター回折（EBSD）を用いて結晶粒構造および方位の変動をマッピングすること。
• EBSDデータの結晶学的解析を通じて、準粒界および局所的応力を特定すること。
• 共焦点フォトリュミネッセンス顕微鏡を用いて、EBSDで得られた結晶学的パラメータと発光特性を一致させ、相関をとること。
• MAPI薄膜における方位散乱の局所的非放射再結合への影響を定量すること。

提案手法

• CH3NH3PbI3（MAPI）薄膜内の局所的結晶方位および結晶粒界をマッピングするために、電子バックストレーター回折（EBSD）を用いた。
• EBSDデータから逆極図（IPF）マップを作成し、結晶学的方位の変動を粒全体で可視化した。
• 局所的結晶不均一性および応力分布の指標として、結晶粒の方位散乱を計算した。
• 個々の結晶粒内における結晶学的方位の勾配を用いて、準粒界を同定した。
• 同じMAPI試料に対して、共焦点フォトリュミネッセンス（PL）顕微鏡画像を取得し、局所的発光特性を評価した。
• PL強度とEBSDから導出された方位散乱を相関させ、局所的ずれが非放射再結合に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 結晶粒内における局所的結晶のずれは、ハライドペロブスカイト薄膜における非放射再結合にどのように影響するか？
• RQ2 準粒界は結晶粒内どこに位置し、局所的応力とどのように相関するか？
• RQ3 MAPI薄膜において、結晶粒の方位散乱とフォトリュミネッセンス強度の測定可能な逆相関関係があるか？
• RQ4 局所的結晶不均一性は、ペロブスカイト半導体の発光特性にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 EBSDとPL顕微鏡を組み合わせることで、微細構造と再結合損失の関係を効果的にマッピングできるか？

主な発見

• EBSDマッピングにより、結晶粒内部に微妙な結晶方位の変動が認められ、異なる結晶粒間で局所的応力の不均一性が示された。
• EBSDデータからの結晶学的方位の空間勾配を用いて、個々の結晶粒内に準粒界が同定された。
• 結晶方位の不均一性が顕著な結晶粒では、フォトリュミネッセンス強度が低下していた。
• 局所的結晶粒の方位散乱と表面フォトリュミネッセンス強度の間に明確な逆相関が観察され、ずれのある領域では非放射再結合が増加していることが示された。
• 結晶粒内に局所的応力および方位散乱が存在することは、顕著なマクロな粒界がなくても、非放射再結合が増加することと相関していた。
• これらの結果は、マクロな粒界を越えて、局所的結晶のずれがハライドペロブスカイトにおける発光特性に顕著に影響することを示している。