[论文解读] Donor-acceptor discrete optical emission in 2D perovskites

Setatira Gorji, Marie Kreĉmarová+13 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2022

Perovskite Materials and Applications被引用 4

一句话总结

本研究为二维铅卤钙钛矿中离散施主-受主对（DAP）光学跃迁提供了直接实验证据，测得亚毫电子伏（sub-meV）线宽（约120 μeV）和较长的辐射复合寿命（5–8 ns）。DAP态源于较厚相（n ≥ 2）中的甲基铵阳离子，其引起铅离子位移并形成局域DAP中心，从而实现室温下适用于光电子与量子光子器件的尖锐、明亮发射。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) van der Waals nanomaterials have attracted considerable attention for potential use in photonic and optoelectronic applications in the nanoscale, due to their outstanding electrical and optical properties, differing from their bulk state. Currently, 2D perovskite belonging to this group of nanomaterials is widely studied for a wide range of optoelectronic applications. Thanks to their excitonic properties, 2D perovskites are also promising materials for photonics and nonlinear devices working at room temperature. Nevertheless, strong excitonic effects can reduce the photocurrent characteristics when using thinner perovskites phases. In this work, we present solid experimental evidence for the presence of single donor-acceptor pair optical transitions in 2D Lead Halide Perovskites, characterized by sub meV linewidths ($\simeq 120 μeV$) and long decay times (5-8 ns). Micro-photoluminescence evidence is supported by detailed Photoemission measurements, and a model simulation. The association of Phenethylammonium with Methylammonium cations, the latter molecule being only present in 2D Halide Perovskites with thicker phases $n \geq 2$, has been identified as the source of the donor-acceptor pair formation, corresponding to the displacement of lead atoms and their replacement by methylamonium. Our seminal study of discrete Donor-Acceptor Pair (DAP) sharp and bright optical transitions in 2D Lead Halide Perovskites opens new routes to implement DAP as the carrier sources for novel designs of optoelectronic devices with 2D perovskites, and will foster the development of future outstanding properties in non-linear quantum technologies.

研究动机与目标

• 识别并表征二维铅卤钙钛矿中的离散施主-受主对（DAP）光学跃迁。
• 确定n ≥ 2相二维钙钛矿中出现尖锐、明亮光学发射的起源。
• 阐明甲基铵阳离子通过铅离子位移形成DAP中心的作用机制。
• 建立DAP态与增强的光致发光性能之间的关联，以支持光电子应用。
• 通过显微光致发光、光电子能谱和模拟方法，对DAP跃迁提供实验验证。

提出的方法

• 采用显微光致发光（μ-PL）和μ-时间分辨光致发光（μ-TRPL）在室温下测量发射光谱与衰减动力学。
• 利用405 nm、450 nm、532 nm和660 nm激发激光的共聚焦显微镜实现空间分辨的光学表征。
• 在Elettra的ALOISA束线和SPECS系统上进行高分辨X射线光电子能谱（HR-XPS）测量，确认化学态与表面组成。
• 采用638 nm激发的显微拉曼光谱探测晶格动力学与结构特征。
• 通过模型模拟支持实验数据的解释与DAP跃迁的归属。
• 在硅基底上对二维钙钛矿晶体（PEA2PbI4和PEA2MAPb4I7）进行机械剥离，实现高质量、低缺陷样品的制备。

实验结果

研究问题

• RQ1 在n ≥ 2的二维钙钛矿中观察到的尖锐、亚毫电子伏光学发射线是由什么引起的？
• RQ2 甲基铵阳离子如何促进二维钙钛矿中施主-受主对态的形成？
• RQ3 所观察到的较长辐射复合寿命（5–8 ns）的起源是什么？
• RQ4 DAP跃迁能否在实验上与二维钙钛矿中的激子态或缺陷相关发射区分开来？
• RQ5 DAP态在多大程度上增强了光学性能，从而适用于光电子与量子光子器件？

主要发现

• 在n ≥ 2的二维钙钛矿中，测得离散施主-受主对（DAP）光学跃迁的线宽为约120 μeV，达到亚毫电子伏量级。
• DAP发射表现出5–8 ns的长辐射复合寿命，表明具有高辐射复合效率。
• 在较厚的二维钙钛矿相（n ≥ 2）中，甲基铵阳离子的存在被确认为通过铅离子位移形成DAP中心的根源。
• HR-XPS证实n ≥ 2相中存在苯乙铵与甲基铵阳离子共存，支持DAP起源的结论。
• 显微PL与拉曼测量证实DAP态在室温下具有良好的结构与电子稳定性。
• 本研究确立了DAP跃迁作为未来基于二维钙钛矿的光电子与非线性量子器件中可行、明亮且窄带的光学光源。