[论文解读] Photoluminescence Blinking beyond Quantum-Confinement: Spatiotemporally Correlated Intermittency over Entire Micron Sized Perovskite Polycrystalline Disks

Nithin Pathoor, Ansuman Halder+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2018

Perovskite Materials and Applications被引用 16

一句话总结

本研究在环境条件下揭示了微米级有机-铅溴化物钙钛矿多晶盘中存在时空相关联的光致发光闪烁现象，表明载流子可在长达约4 μm的距离内实现长程通信。该现象源于光生载流子向瞬态非辐射陷阱的关联迁移，闪烁行为与陷阱的浓度和性质密切相关，挑战了传统观点中认为此类闪烁仅限于量子限制纳米结构的认知。

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.

研究动机与目标

• 研究维度无限制（体相类似）钙钛矿微晶中的光致发光闪烁，挑战闪烁仅限于量子限制纳米结构的假设。
• 理解在微米级晶体中发射强度涨落的长程时空相关性的起源。
• 探讨瞬态非辐射陷阱在介导长达约4 μm距离的关联闪烁中的作用。
• 确定多晶钙钛矿薄膜是否表现出与单晶相同的关联间歇性。
• 建立载流子迁移动力学与体相半导体中闪烁倾向之间关系的框架。

提出的方法

• 采用时间分辨光致发光显微术，对单个微米级钙钛矿微晶及多晶盘中的发射强度涨落进行成像。
• 通过分析同一晶体中空间分离区域的发射强度轨迹，进行互相关分析，量化时空相关性，结果值超过0.9。
• 采用环境条件下的测量，评估闪烁现象在真实环境中的稳定性和相关性。
• 对晶体内发射动力学的分析表明，载流子向瞬态非辐射陷阱的关联迁移是主导机制。
• 研究人员对比了单晶与多晶样品，以评估晶界对闪烁行为的影响。
• 补充信息包含详细的实验流程和数据验证，以确保可重复性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在维度无限制的钙钛矿晶体中，是否可发生具有强时空相关性的光致发光闪烁，超越量子限制区域？
• RQ2 在单个钙钛矿微晶内，发射涨落保持相关性的最大空间范围是多少？
• RQ3 瞬态非辐射陷阱如何影响体相类似钙钛矿材料中的闪烁动力学与相关性？
• RQ4 由融合晶粒组成的多晶钙钛矿薄膜中，是否仍保持关联闪烁现象？
• RQ5 何种物理机制使得单晶内远距离位置的光生载流子能够实现有效通信？

主要发现

• 在单个钙钛矿微晶内，空间分离距离达约4 μm的区域之间，发射强度涨落的时空相关性超过0.9。
• 在环境条件下，单个微米级钙钛矿微晶中观察到多级闪烁，表明存在持久且复杂的发射间歇性。
• 融合的多晶颗粒表现出相同的关联闪烁行为，表明晶界不会破坏长程载流子通信。
• 闪烁倾向由瞬态非辐射陷阱的性质和浓度决定，这些陷阱作为光生载流子的集体汇。
• 结果表明，在体相半导体中实现长程（介观尺度）电子通信是可行的，挑战了此类效应仅限于量子点的传统观念。
• 本研究确立了载流子向空间分布的瞬态陷阱迁移是观察到相关性的根本原因，从而在微米尺度距离上实现相干发射动力学。