[论文解读] 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. Yakovlev+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2023

Perovskite Materials and Applications被引用 1

一句话总结

本研究利用高达60 T的磁场下的磁致反射光谱，测量了宽带隙范围（1.5–3.2 eV）内高质量铅卤化物钙钛矿单晶中的激子 Landé g 因子。结果发现，由于电子和空穴 g 因子对带隙能量的相反依赖性近似抵消，激子 g 因子保持在+2.3至+2.7之间几乎不变，且各向同性行为源于各向异性的补偿。

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.

研究动机与目标

• 测量高质量铅卤化物钙钛矿单晶在宽广带隙范围（1.5–3.2 eV）内的激子 Landé g 因子。
• 研究杂化有机-无机及全无机钙钛矿中激子 g 因子对带隙能量的依赖性。
• 确定单个电子和空穴 g 因子的强带隙依赖性是否在激子 g 因子中得到补偿。
• 检查激子 g 因子的各向异性，并评估四角晶系钙钛矿系统中的各向同性。
• 将实验结果与钙钛矿中 g 因子行为的理论模型计算进行比较。

提出的方法

• 在高达60 T的磁场下进行磁致反射光谱测量，以测定自由激子的Zeeman分裂。
• 使用带隙可调的高质量单晶 FA₀.₉Cs₀.₁PbI₂.₈Br₀.₂、MAPbI₃、FAPbBr₃、CsPbBr₃ 和 MAPb(Br₀.₀₅Cl₀.₉₅)₃。
• 通过时间分辨Kerr旋转和自旋翻转拉曼散射测量电子和空穴 g 因子，以供比较。
• 应用k·p微扰理论建模 g 因子，包括自旋-轨道耦合和能带各向异性的贡献。
• 将激子 g 因子计算为 gX = ge + gh，分别给出平行（gX∥）和垂直（gX⊥）磁场方向的表达式。
• 使用模型方程分析电子和空穴 g 因子中 1/Eg 项的抵消，导致对带隙的弱净依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 铅卤化物钙钛矿中的激子 Landé g 因子是否表现出强的带隙能量色散？
• RQ2 电子和空穴 g 因子对带隙的相反依赖性在激子 g 因子中在多大程度上得到补偿？
• RQ3 尽管四角晶系钙钛矿中的载流子 g 因子具有各向异性，激子 g 因子是否仍保持各向同性？
• RQ4 g 因子的理论模型计算与高场实验数据的符合程度如何？
• RQ5 自旋-轨道耦合和能带各向异性在决定净激子 g 因子中的作用是什么？

主要发现

• 激子 g 因子（gX）在1.520 eV至3.213 eV的宽广带隙范围内几乎保持不变，仅在+2.3至+2.7之间变化。
• gX 的弱色散源于电子和空穴 g 因子对带隙的强依赖性近似抵消。
• 电子和空穴 g 因子的各向异性相互补偿，导致激子 g 因子近乎各向同性。
• 实验测得的 gX 数据与基于 k·p 微扰理论的理论模型计算结果高度一致。
• 模型计算证实，导带和价带中 k·p 混合产生的 1/Eg 项在求和 gX = ge + gh 中相互抵消。
• 暗激子 g 因子（ge − gh）的带隙依赖性比亮激子更强，表明暗态的自旋响应更敏感。