Экран будущего может зависеть от длины одной молекулы
Двумерные перовскиты считают одними из самых перспективных материалов для будущих светодиодов, солнечных элементов и фотодетекторов, но инженерам долго мешала одна проблема: небольшая замена молекул могла резко менять работу материала, а точную причину изменений было трудно отделить от сопутствующих эффектов. Исследователи из Южной Кореи предложили способ заранее оценивать, как длина органической молекулы внутри слоистого перовскита повлияет на способность материала поглощать и излучать свет.
Ключевую роль в такой работе играют экситоны. Так называют связанные пары из электрона и положительно заряженной «дырки», возникающие после поглощения света. Чем сильнее электрон и дырка удерживаются рядом, тем заметнее меняются оптические свойства материала. Для двумерных перовскитов экситонные эффекты особенно выражены, но ученые годами не могли понять, какой вклад дает геометрия слоев, а какой связан с диэлектрическим окружением.
Команда создала серию тонких пленок на основе свинцово-иодидных двумерных перовскитов. Неорганический каркас материалов оставили почти одинаковым, а между слоями меняли только органические молекулы-спейсеры. Исследователи сначала изучили шесть разных спейсеров, а затем сосредоточились на серии с четным числом атомов углерода. У всех молекул была одинаковая аммониевая группа, отличалась только длина углеродной цепи. Такой подход позволил отделить влияние диэлектрического экранирования от структурных искажений, которые обычно мешают чистому сравнению.
Затем исследователи измерили электронные и оптические параметры материалов несколькими методами. Фотоэлектронная спектроскопия и обратная фотоэлектронная спектроскопия низких энергий помогли определить энергию, необходимую для полного разделения электрона и дырки. Спектроскопия поглощения в ультрафиолетовом и видимом диапазоне показала энергию создания связанной электрон-дырочной пары. Разница между измерениями дала энергию связи экситона.
Результат оказался показательным: при увеличении длины органических спейсеров квазичастичная запрещенная зона заметно росла, а энергия экситона почти не менялась. Из-за расхождения двух величин энергия связи экситона увеличивалась вместе с длиной молекулы. Ученые пришли к выводу, что усиление притяжения между электроном и дыркой в контролируемой серии материалов главным образом задает диэлектрическое окружение, а не искажение кристаллической структуры.
Стандартная модель Келдыша, которую часто применяют для описания экситонов в двумерных материалах, не смогла полностью объяснить экспериментальные данные. Авторы добавили в расчеты феноменологическую диэлектрическую функцию, учитывающую электрическое влияние неорганического слоя и органического спейсера конечной толщины. После такой поправки теория хорошо совпала с измерениями.
Профессор Ханбатского национального университета Ки-Ха Хон заявил, что модель дает практическое правило для прогнозирования влияния длины органического спейсера на экситонные свойства двумерных перовскитов. Разработка может ускорить поиск материалов для более ярких светодиодов, эффективных солнечных элементов, фотодетекторов и других оптоэлектронных устройств, где поведение экситонов нужно настраивать заранее, а не подбирать методом проб и ошибок.
Авторы признают ограничения подхода. Модель проверили на однородной серии материалов с минимальными структурными искажениями, поэтому для более сложных перовскитов с одновременным изменением структуры и диэлектрической среды расчеты потребуют осторожности. Дальнейшие исследования должны показать, насколько широко новое правило можно применять к семейству гибридных органико-неорганических полупроводников. Работа опубликована в журнале Advanced Functional Materials.