[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究采用电子背散射衍射（EBSD）和共聚焦光致发光（PL）显微镜技术，将CH3NH3PbI3（MAPI）薄膜中局部晶体取向偏差与非辐射复合关联起来。结果表明，更高的晶粒取向分布范围（反映局部应变和亚晶界）会导致PL强度降低，直接将晶体取向异质性与非辐射复合损失联系起来。

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.

研究动机与目标

• 研究卤化物钙钛矿薄膜中局部晶体取向偏差如何影响非辐射复合。
• 利用电子背散射衍射（EBSD）对CH3NH3PbI3（MAPI）薄膜中的晶粒结构和取向变化进行测绘。
• 通过EBSD数据的晶体学分析识别亚晶界和局部应变。
• 通过共对准的光致发光显微镜，将EBSD导出的晶体学参数与光电性能相关联。
• 量化取向分布范围对MAPI薄膜中局部非辐射复合的影响。

提出的方法

• 采用电子背散射衍射（EBSD）对CH3NH3PbI3（MAPI）薄膜中局部晶体取向和晶界进行测绘。
• 从EBSD数据生成反极图（IPF）图，以可视化晶粒内晶体学取向的变化。
• 将晶粒取向分布范围计算为局部晶体异质性和应变分布的度量指标。
• 通过单个晶粒内晶体学取向梯度识别亚晶界。
• 在相同MAPI样品上获取共对准的共聚焦光致发光（PL）显微镜图像，以评估局部光电响应。
• 将PL强度与EBSD导出的取向分布范围相关联，以评估局部取向偏差对非辐射复合的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 晶粒内部的局部晶体取向偏差如何影响卤化物钙钛矿薄膜中的非辐射复合？
• RQ2 亚晶界在晶粒内部的什么位置？它们与局部应变有何关联？
• RQ3 在MAPI薄膜中，晶粒取向分布范围与光致发光强度之间是否存在可测量的负相关性？
• RQ4 局部晶体异质性在多大程度上影响钙钛矿半导体的光电性能？
• RQ5 EBSD与PL显微镜能否有效结合，以绘制微结构与复合损失之间的关系？

主要发现

• EBSD测绘揭示了晶粒内部细微的晶体取向变化，表明不同晶粒间存在局部应变异质性。
• 通过EBSD数据中晶体学取向的空间梯度，在单个晶粒内识别出亚晶界。
• 表现出更高程度晶体取向异质性的晶粒，其光致发光强度降低。
• 观察到局部晶粒取向分布范围与表面光致发光强度之间存在明显的负相关性，表明取向偏差区域的非辐射复合增加。
• 晶粒内部局部应变和取向分布范围的存在与非辐射复合增强相关，即使在没有宏观晶界的情况下亦如此。
• 这些发现表明，局部晶体取向偏差（超越宏观晶界）显著影响卤化物钙钛矿中的光电性能。