Naukowcy z Katedry Fizyki Doświadczalnej uczestniczyli w przełomowych badaniach dotyczących perowskitów dwuwymiarowych. Są to niezwykle popularne w ostatnim czasie materiały, które posiadają unikalne własności optyczne. Wykorzystuje się je m.in. w najnowszej generacji panelach fotowoltaicznych.

Niedawno na stronach Science Advances ukazała się publikacja „Brightening of dark excitons in 2D perovskites” wyjaśniająca kwestię tzw. układów stanów ekscytonowych (reprezentujących elementarne wzbudzenie w półprzewodnikach) w perowskitach.

Badania wykonano w ramach współpracy międzynarodowej pomiędzy Politechniką Wrocławską, Narodowym Laboratorium Silnych Pól Magnetycznych w Tuluzie (Francja, LNCMI Toulouse) oraz Uniwersytetem w Groningen (Holandia).

W zespole naukowców zgłębiających temat znaleźli się naukowcy z Katedry Fizyki Doświadczalnej na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki – prof. Paulina Płochocka-Maude, dr hab. inż. Michał  Baranowski i dr Mateusz Dyksik.

Dlaczego tak dobrze emitują światło?

– Coraz powszechniejsze wykorzystanie perowskitów dwuwymiarowych w przyrządach optoelektronicznych wyprzedza zrozumienie ich podstawowych własności fizycznych. Niemal nieskończone możliwości inżynieryjne tych materiałów sprawiają, że własności fizyczne mogą być kontrolowanie z niezwykłą elastycznością – mówi dr hab. Michał Baranowski.

Wyjaśnia, że najniższym stanem energetycznym ekscytonu jest stan nieaktywny optycznie (czyli stan ciemny), a stan aktywny optycznie (tzn. stan jasny) ma większą energię. – Hierarchia ta jest przestrzegana w większości półprzewodników, a materiały łamiące tę regułę potencjalnie mogą stanowić idealny materiał do budowy emiterów światła o sprawności nieomal 100% – wyjaśnia.

Co ciekawe, niskowymiarowe formy perowskitów charakteryzują się bardzo wysoką sprawnością emisji światła, rzędu 80%.  W związku z tym w środowisku naukowym pojawiła się hipoteza, że w tych materiałach układ stanów jasnych i ciemnych jest odwrócony. Jednakże brak było bezpośrednich dowodów – obserwacji stanu ciemnego ekscytonu.

– Dzięki wykorzystaniu ekstremalnego pola magnetycznego mogliśmy obserwować stan ciemny ekscytonu – tłumaczy dr Mateusz Dyksik.

– Nasze badania nie potwierdziły kontrowersyjnej hipotezy, gdyż wykazały, że stan ciemny jest najniżej położonym stanem. Jednakże wskazały one na inną przyczynę mogącą, prowadzić do niezwykłej wydajności emisji w tych materiałach – dodaje naukowiec.

Badania unikatowe w skali światowej

Okazało się, że odległość pomiędzy stanem jasnym i ciemnym ekscytonów w tych materiałach jest tak duża, że może utrudniać efektywną przechodzenie  ekscytonów ze stanu jasnego do ciemnego. Dzięki temu znacznie mniej ekscytonów znajduje się w stanie, gdzie nie mogą emitować światła i obecność stanu ciemnego nie wpływa na wydajność emisji.

– To pierwsze tego typu badania wykonane dla struktur perowskitowych – podkreślają naukowcy z PWr.

–  Stanowią one nie tylko wartość typowo poznawczą, wyznaczając kluczową dla przyszłych przyrządów elektronicznych wartość fizyczną (energię rozszczepienia stanu ciemnego i jasnego ekscytonu). Są również demonstracją możliwości spektroskopii optycznej w wysokich polach magnetycznych. Wykonane badania mogą zostać rozszerzone na inne materiały perowskitowe, jak również na inne systemy materiałowe w których struktura ekscytonu nie jest jeszcze poznana – dodają pracownicy Katedry Fizyki Doświadczalnej PWr.

ISZ