Neue Entdeckung beendet langjährige Debatte über photovoltaische Materialien
Beruhen Organometallhalogenidperowskite auf dem umstrittenen Mechanismus des Rashba-Effekts?
Wissenschaftler haben die Theorie aufgestellt, dass Organometallhalogenidperowskite - eine Klasse von lichtsammelnden "Wunder"-Materialien für Anwendungen in Solarzellen und in der Quantenelektronik - so vielversprechend sind, weil sie auf einem unsichtbaren, aber höchst umstrittenen Mechanismus beruhen, der als Rashba-Effekt bezeichnet wird. Wissenschaftler des Ames-Labors des US-Energieministeriums haben jetzt die Existenz dieses Effekts in Massenperowskiten experimentell nachgewiesen, indem sie kurze Mikrowellen-Lichtblitze verwendeten, um einen Rhythmus der quantengekoppelten Bewegung von Atomen und Elektronen in diesen Materialien zu erzeugen und dann aufzuzeichnen, ähnlich wie Musik.
Wissenschaftler des Ames-Labors entdeckten den Beweis für den Rashba-Effekt, indem sie extrem starke und kraftvolle Lichtblitze mit Billionen von Zyklen pro Sekunde abfeuerten, um einen "Schlag" der Quantenbewegung innerhalb einer Materialprobe einzuschalten oder zu synchronisieren; und einen zweiten Lichtblitz, um die Schläge "abzuhören" und einen ultraschnellen Empfänger auszulösen, der Bilder des Schwingungszustands der Materie aufzeichnet.
US Department of Energy, Ames Laboratory
Organometallhalogenidperowskite wurden erstmals vor etwa einem Jahrzehnt in Solarzellen eingeführt. Seitdem wurden sie intensiv für den Einsatz in der Lichtgewinnung, der Photonik und in elektronischen Transportvorrichtungen untersucht, da sie sehr gefragte optische und dielektrische Eigenschaften aufweisen. Sie kombinieren die hohe Energieumwandlungsleistung herkömmlicher anorganischer photovoltaischer Geräte mit den kostengünstigen Materialkosten und Herstellungsmethoden organischer Versionen.
Bisherige Forschungen stellten die Hypothese auf, dass die außergewöhnlichen elektronischen, magnetischen und optischen Eigenschaften der Materialien mit dem Rashba-Effekt zusammenhängen, einem Mechanismus, der die magnetische und elektronische Struktur und die Lebensdauer der Ladungsträger steuert. Doch trotz intensiver Studien und Debatten in jüngster Zeit blieben schlüssige Beweise für den Rashba-Effekt in massiven Organometallhalogenid-Perowskiten, die in den effizientesten Perowskit-Solarzellen verwendet werden, sehr schwer zu finden.
Die Wissenschaftler des Ames-Labors entdeckten, dass der Nachweis durch die Verwendung von Terahertz-Licht, extrem starken und kraftvollen Lichtblitzen, die mit Billionen von Zyklen pro Sekunde feuern, um einen "Schlag" der Quantenbewegung innerhalb einer Materialprobe einzuschalten oder zu synchronisieren; und einen zweiten Lichtblitz, um den Schlägen "zuzuhören" und einen ultraschnellen Empfänger auszulösen, der Bilder des Schwingungszustands der Materie aufzeichnet. Dieser Ansatz überwand die Grenzen herkömmlicher Detektionsmethoden, die nicht über die Auflösung oder Empfindlichkeit verfügten, um den in der atomaren Struktur des Materials verborgenen Beweis des Rashba-Effekts zu erfassen.
"Unsere Entdeckung klärt die Debatte über das Vorhandensein von Rashba-Effekten: Sie existieren in massiven Metallhalogenid-Perowskit-Materialien", sagte Jigang Wang, leitender Wissenschaftler am Ames-Laboratorium und Professor für Physik an der Iowa State University. "Indem wir die Quantenbewegungen von Atomen und Elektronen steuern, um Rashba-Spaltbänder zu konstruieren, erreichen wir einen bedeutenden Sprung vorwärts für die grundlegende Entdeckung des Effekts, der durch zufällige lokale Fluktuationen verdeckt worden war, und eröffnen auch spannende Möglichkeiten für spintronische und photovoltaische Anwendungen, die auf der Quantenkontrolle von Perowskit-Materialien basieren.
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Originalveröffentlichung
Z. Liu, C. Vaswani, X. Yang, X. Zhao, Y. Yao, Z. Song, D. Cheng, Y. Shi , L. Luo, D.-H. Mudiyanselage, C. Huang, J.-M. Park, R.H.J. Kim, J. Zhao,Y. Yan, K.-M. Ho, and J. Wang; "Ultrafast Control of Excitonic Rashba Fine Structure by Phonon Coherence in the Metal Halide Perovskite CH3NH3PbI3."; Physical Review Letters.
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