Ученые СПбГУ установили природу свечения, возникающего при облучении пучком электронов полупроводника — галогенидного перовскита MAPbCl3. Неожиданной находкой ученых оказалась возможность перестройки цвета свечения при облучении образца электронами.
Цвет свечения, как оказалось, может меняться без падения интенсивности, что говорит о перестройке структуры дефектов галогенидного перовскита к стабильной форме. Такая перестройка может использоваться для тонкой настройки готовых изделий из галогенидного перовскита, например, светодиодов.
Перовскит был синтезирован в Лаборатории кристаллофотоники СПбГУ, созданной в рамках программы мегагрантов Министерства науки и высшего образования России. Результаты исследования опубликованы в The Journal of Physical Chemistry Letters.
Привычный многим белый свет, встречающихся в светодиодных лампочках, можно получить, если нанести желто-оранжевый люминофор на миниатюрный кристаллик полупроводника, излучающий ультрафиолетовый или синий свет. Таким образом, «в сердце» любой светодиодной лампы находится полупроводник.
Обычно процесс изготовления таких полупроводников дорогой, поскольку требуются исходные чистые вещества и производство при высоких температурах. Около десяти лет назад в мире начались исследования новых полупроводников – галогенидных перовскитов. Так, изготовление кристаллов перовскитов гораздо дешевле «классических» аналогов, поскольку их выращивают из раствора.
Один из таких галогенидных перовскитов — MAPbCl3 — гибридное соединение хлора, свинца и небольшого органического катиона метиламмония. Кристаллы такого перовскита прозрачные, а если сообщить им энергию – светятся в синем и ближнем ультрафиолетовом диапазоне.
Для изучения широкозонных полупроводников изучаемый кристалл облучается пучком электронов в электронном микроскопе, оснащенном оптическим спектрометром. Энергия падающих электронов переходит в возбуждение кристалла, и он начинает светиться, то есть происходит люминесценция.
Полупроводники светятся при комнатной температуре, однако разобраться в происходящих в кристалле процессах и механизмах его свечения процессах помогает охлаждение кристалла до низких температур. Ученые из Лаборатории кристаллофотоники СПбГУ синтезировали кристалл MAPbCl3 и изучили его катодолюминесценцию при температуре жидкого азота (-196оС).
«Спектр свечения галогенидного перовскита MAPbCl3 сложный, в нем можно выделить три основных спектральных полосы. Ученые видели их и раньше, но понимания, с чем это свечение связано и от чего оно зависит, – не было. Проведенное нами исследование позволило разобраться в этом вопросе», – рассказал доцент кафедры фотоники СПбГУ Юрий Капитонов.
Одна из спектральных полос оказалась свечением посторонних примесей на поверхности кристалла. Остальные — принадлежат самому перовскиту. Ученые установили, что одна из этих полос является свечением экситонов – «искусственных атомов», существующих в полупроводниках, а вторая связана с дефектами кристалла. Как отмечают ученые, Обычно, полупроводники с дефектами не светятся, и приходится прикладывать большие усилия для получения светящихся кристаллов достаточной чистоты и качества. Однако дефекты в галогенидных перовскитах сами обладают способностью испускать яркое синее свечение.
«Нашей неожиданной находкой оказалась возможность перестройки цвета свечения при облучении образца электронами. Цвет свечения может меняться без падения интенсивности, что говорит о перестройке структуры дефектов галогенидного перовскита к стабильной форме. Такая перестройка может использоваться для тонкой настройки готовых изделий из галогенидного перовскита, например, светодиодов», – пояснил доцент кафедры электроники твердого тела физического факультета СПбГУ Юрий Петров.
Исследование выполнено в лаборатории кристаллофотоники СПбГУ, созданной в рамках мегагранта Министерства науки и высшего образования России, на оборудовании ресурсного центра СПбГУ «Нанотехнологии» Научного парка СПбГУ.