[논문 리뷰] Photoluminescence Blinking beyond Quantum-Confinement: Spatiotemporally Correlated Intermittency over Entire Micron Sized Perovskite Polycrystalline Disks

Nithin Pathoor, Ansuman Halder외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 24.

Perovskite Materials and Applications인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 대기 조건 하에서 미크론 크기의 유기-铅 브로마이드 퍼보스카이트 다결정판에서 시공간적으로 관련된 광발광 깜빡임을 규명하였으며, 이는 최대 약 4 μm까지의 거리에서 장거리 전자 상호작용을 가능하게 한다. 이 현상은 광발생된 실내 전자가 일시적인 비복사 포획구로 상호 연관된 이동으로 인해 발생하며, 깜빡임 행동은 포획구의 밀도와 성질과 강하게 연관되어 있어, 기존에 이러한 깜빡임이 양자 구속 나노구조물에 국한된 것으로 보는 관점에 도전한다.

ABSTRACT

Abrupt fluorescence intermittency or blinking is long recognized to be characteristic of single nano-emitters. Extended quantum-confined nanostructures also undergo spatially heterogeneous blinking, however, there is no such precedence in dimensionally unconfined (bulk) materials. Here, we report multi-level blinking of entire individual organo-lead bromide perovskite micro-crystals (volume 0.1-3 micron-cuble) under ambient conditions. Extremely high spatiotemporal correlation (>0.9) in intra-crystal emission intensity fluctuations signifies effective communication amongst photogenerated carriers at distal locations (up to ~4 microns) within each crystal. Fused polycrystalline grains also exhibit this intriguing phenomenon, which is rationalized by correlated and efficient migration of carriers to a few transient non-radiative traps, the nature and population of which determine blinking propensity. Observation of spatiotemporally correlated emission intermittency in bulk semiconductor crystals opens up the possibility to design novel devices involving long range (mesoscopic) electronic communication.

연구 동기 및 목표

• 차원 구속이 없는(바닥에 가까운) 퍼보스카이트 마이크로결정에서의 광발광 깜빡임을 조사하여, 깜빡임이 양자 구속 나노구조물에만 국한된다는 가정에 도전한다.
• 미크론 크기의 결정에서 발광 강도 변동의 장거리 시공간적 상관관계의 기원을 이해한다.
• 일시적인 비복사 포획구가 최대 약 4 μm까지의 거리에서 관련된 깜빡임을 매개하는 역할을 하는지 탐색한다.
• 다결정 퍼보스카이트 필름이 단일 결정과 유사한 관련된 간헐적 발광을 보이는지 여부를 확인한다.
• 바닥 반도체에서 운반체 이동 역학과 깜빡임 경향을 연결하는 프레임워크를 수립한다.

제안 방법

• 시간 해상도가 높은 광발광 현미경을 사용하여 개별 마이크론 크기의 퍼보스카이트 마이크로결정 및 다결정판에서의 발광 강도 변동을 맵핑하였다.
• 동일한 결정 내에서 공간적으로 분리된 영역의 발광 강도 트레이스 간의 상관 분석을 통해 시공간적 상관관계를 정량화하였으며, 이 값은 0.9를 초과하였다.
• 실제 환경에서의 안정성과 깜빡임 현상의 관련성을 평가하기 위해 대기 조건 하에서 측정을 실시하였다.
• 결정 내 발광 역학 분석을 통해 일시적인 비복사 포획구로의 관련된 운반체 이동이 주요 메커니즘으로 규명되었다.
• 결정의 품질에 따른 깜빡임 행동에 미치는 결정경계 영향을 평가하기 위해 단일 결정 및 다결정 샘플을 비교 분석하였다.
• 보조 정보로는 재현 가능성을 위한 상세한 실험 프rotocol과 데이터 검증 자료가 포함되어 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 차원 구속이 없는 퍼보스카이트 결정에서 강한 시공간적 상관관계를 가지는 광발광 깜빡임이 발생할 수 있는가? 특히 양자 구속 영역을 초월하여 발생하는가?
• RQ2 단일 퍼보스카이트 마이크로결정 내에서 발광 변동이 상관관계를 유지할 수 있는 최대 공간 범위는 얼마인가?
• RQ3 일시적인 비복사 포획구는 바닥에 가까운 퍼보스카이트 재료에서 깜빡임 역학과 상관관계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 융합된 결정립으로 이루어진 다결정 퍼보스카이트 필름에서도 관련된 깜빡임 현상이 유지되는가?
• RQ5 단일 결정 내에서 먼 거리에 있는 위치에 있는 광발생 운반체 간에 효과적인 상호작용을 가능하게 하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 개별 퍼보스카이트 마이크로결정 내에서 최대 약 4 μm 떨어진 영역 간의 발광 강도 변동에서 시공간적 상관관계가 0.9를 초과하여 관찰되었다.
• 대기 조건 하에서 개별 마이크론 크기의 퍼보스카이트 마이크로결정에서 다수 수준의 깜빡임이 관찰되어 지속적이고 복잡한 발광 간헐성이 있음을 시사한다.
• 융합된 다결정립에서는 동일한 관련 깜빡임 행동이 관찰되어 결정경계가 장거리 운반체 상호작용을 방해하지 않는다는 것을 시사한다.
• 깜빡임 경향은 일시적인 비복사 포획구의 성질과 밀도에 의해 결정되며, 이는 광발생 운반체의 집합적 수거지로 작용한다.
• 결과적으로 장거리(중간 스케일) 전자 상호작용이 바닥 반도체에서 가능함을 입증하여, 이러한 효과가 양자점에 국한된 것으로 보는 관념을 도전한다.
• 연구는 관측된 상관관계의 근본 원인이 공간적으로 분포된 일시적 포획구로의 운반체 이동임을 규명하였으며, 이는 마이크론 규모의 거리에서 일관된 발광 역학을 가능하게 한다.