[论文解读] Band-edge Exciton Fine Structure and Exciton Recombination Dynamics in Single crystals of Layered Hybrid Perovskites

Hong‐Hua Fang, Jie Yang+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2019

Perovskite Materials and Applications参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究利用瞬态光致发光光谱与光学光谱，研究了高质量单晶层状杂化钙钛矿(PEA)₂PbI₄的带边激子精细结构及其复合动力学。研究揭示了室温下本征激子寿命为185 ns，表面复合速度为2×10³ cm/s，并识别出10 meV的亮/暗激子能级分裂；同时在45 meV结合能和80 ps寿命下观测到双激子发射。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) perovskite materials have recently re-attracted intense research interest for applications in photovoltaics and optoelectronics. As a consequence of the dielectric and quantum confinement effect, they show strongly bound and stable excitons at room temperature. In this report, the band-edge exciton fine structure and in particular its exciton and biexciton dynamics in high quality crystals of (PEA)2PbI4 are investigated. A comparison of bulk and surface exciton lifetimes yields a room temperature surface recombination velocity of 2x10^3cm/s and an intrinsic lifetime of 185ns. Biexciton emission is evidenced at room temperature, with binding energy of about 45meV and a lifetime of 80ps. At low temperature, exciton state splitting is observed, which is caused by the electron-hole exchange interaction. Transient photoluminescence resolves the low-lying dark exciton state, with a bright/dark splitting energy estimated to be 10meV. This work contributes to understand the complex scenario of the elementary photoexcitations in 2D perovskites.

研究动机与目标

• 理解二维杂化钙钛矿中复杂的激子行为，特别是带边区域的行为。
• 在高质量单晶中解析激子的精细结构，包括亮态与暗态。
• 量化激子复合动力学，区分体相与表面贡献。
• 在层状钙钛矿中识别并表征室温下的双激子态。
• 确定电子-空穴交换相互作用在低温下对激子能级分裂的作用。

提出的方法

• 采用高质量的(PEA)₂PbI₄单晶以减少缺陷并实现精确测量。
• 利用瞬态光致发光光谱在皮秒时间尺度上解析激子与双激子的复合动力学。
• 进行低温光学测量，以观察由电子-空穴交换相互作用引起的激子态能级分裂。
• 通过比较体相与表面激子寿命，提取表面复合速度。
• 分析光致发光衰减动力学，以估算本征激子寿命及亮/暗态之间的能级分裂能量。
• 利用补充材料支持光谱分析与数据验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室温下，(PEA)₂PbI₄单晶中的本征激子寿命是多少？
• RQ2 表面复合如何影响激子动力学？其表面复合速度是多少？
• RQ3 亮激子与暗激子态之间的能量分裂是多少？其受电子-空穴交换相互作用的影响如何？
• RQ4 是否可在室温下观测到双激子发射？其结合能与寿命分别为多少？
• RQ5 量子限制与介电限制效应在二维钙钛矿的激子精细结构中如何体现？

主要发现

• 在室温下，(PEA)₂PbI₄单晶中的本征激子寿命为185 ns。
• 表面复合速度确定为2×10³ cm/s，表明存在中等程度的表面非辐射损失。
• 在低温下观测到10 meV的亮/暗激子能级分裂，归因于电子-空穴交换相互作用。
• 在室温下确认了双激子发射，其结合能约为45 meV，寿命为80 ps。
• 通过瞬态光致发光解析出低能级的暗激子态，证实了多种激子态的存在。
• 本研究表明，由于增强的限制效应与介电屏蔽，强激子效应在室温下仍可在二维钙钛矿中持续存在。