科學(xué)家們深入量化了鈣鈦礦的特性

由萊斯大學(xué)和洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了量子級(jí)器件中的電子特性，這些特性可能會(huì)影響低成本鈣鈦礦光電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展 。

在一個(gè)開放式的訪問 自然通訊文件，研究人員領(lǐng)導(dǎo)的洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家阿迪亞Mohite和讓-克里斯托夫Blancon，他們兩人將加入賴斯今年夏天，研究的行為 激子 被困在 量子阱 由晶體，基于鹵化物的鈣鈦礦化合物。

結(jié)果，他們能夠創(chuàng)建一個(gè)尺度，通過該尺度，實(shí)驗(yàn)室可以確定任何厚度的鈣鈦礦量子阱中激子的結(jié)合能，從而確定帶隙結(jié)構(gòu)。這可以反過來有助于下一代半導(dǎo)體材料的基本設(shè)計(jì)。

基于鈣鈦礦量子阱的光電器件以量子尺度轉(zhuǎn)換和控制光 ，低于100納米的反應(yīng)遵循與經(jīng)典力學(xué)所規(guī)定的規(guī)則不同的規(guī)則 。

將光轉(zhuǎn)化為電能的太陽能電池是光電器件。將電能轉(zhuǎn)化為光的設(shè)備也是如此，包括 發(fā)光二極管 (LED)和為條形碼閱讀器，激光打印機(jī)，光盤播放器和其他技術(shù)提供動(dòng)力的無處不在的 半導(dǎo)體激光器。研究人員表示，任何使其效率最大化的步驟都會(huì)產(chǎn)生廣泛的影響。

他們研究中心的激子是電中性 準(zhǔn)粒子 ，只有當(dāng)電子和電子空穴在絕緣或半導(dǎo)體固體中結(jié)合時(shí)才會(huì)存在，就像用于捕獲粒子進(jìn)行研究的量子阱一樣。

該研究中使用的量子井由西北大學(xué)化學(xué)家Mercouri Kanatzidis實(shí)驗(yàn)室和Mohite實(shí)驗(yàn)室合成。它們基于 具有特定層狀結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦化合物，稱為 Ruddlesden-Popper相 (RPP)。這類材料具有獨(dú)特的電子和磁性特性，可用于 金屬空氣電池。

“了解激子的性質(zhì)并產(chǎn)生激子束縛能量的一般比例定律是設(shè)計(jì)任何光電器件所需的第一個(gè)基本步驟，例如太陽能電池，激光器或探測(cè)器，”Mohite說，他將成為一名副教授。萊斯的化學(xué)和生物分子工程。

以前，研究人員發(fā)現(xiàn)他們可以 通過改變?cè)雍穸葋碚{(diào)整RPP鈣鈦礦層內(nèi)激子和自由載流子的共振 。這似乎改變了激子的質(zhì)量，但科學(xué)家們直到現(xiàn)在還無法測(cè)量這種現(xiàn)象。

“改變這些半導(dǎo)體的厚度使我們對(duì)單層2D材料和3D材料之間的準(zhǔn)維度，中間物理學(xué)有了基本的了解，”主要作者Blancon說，他目前是洛斯阿拉莫斯的研究科學(xué)家。“我們首次在非合成材料中實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。”

洛斯阿拉莫斯研究科學(xué)家Andreas Stier在60 特斯拉 磁場(chǎng)下對(duì)這些井進(jìn)行了測(cè)試，以直接探測(cè)激子的有效質(zhì)量，這一特征對(duì)于激子的建模和理解二維鈣鈦礦材料中的能量傳輸至關(guān)重要。

將樣品帶到Rice可讓研究人員同時(shí)將它們暴露在超低溫，高磁場(chǎng)和偏振光下，這種能力僅由獨(dú)特的光譜儀提供，即 Rice Advanced Magnet with Broadband Optics (RAMBO)，由共同作者監(jiān)督和物理學(xué)家Junichiro Kono。

Blancon在洛斯阿拉莫斯進(jìn)行的高級(jí)光學(xué)光譜學(xué)(Mohite實(shí)驗(yàn)室的Rice很快就能提供這種能力)提供了對(duì)RPP內(nèi)光學(xué)躍遷的直接探測(cè)，以得出激子結(jié)合能，這是突破激子縮放的基礎(chǔ)。本文描述了量子阱厚度定律。

將他們的結(jié)果與法國INSA雷恩物理學(xué)教授Jacky Even設(shè)計(jì)的計(jì)算模型相匹配 ，研究人員確定鈣鈦礦量子阱中激子的有效質(zhì)量高達(dá)五層，大約是其3D體積的兩倍。對(duì)方。

Blancon說，當(dāng)它們接近五層(3.1納米)時(shí)，電子和空穴之間的結(jié)合能顯著降低，但仍然大于100毫電子伏特，使它們足夠堅(jiān)固，可以在室溫下利用。例如，他說，這將允許設(shè)計(jì)具有顏色可調(diào)性的高效發(fā)光裝置。

組合的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模型數(shù)據(jù)允許他們創(chuàng)建一個(gè)尺度，預(yù)測(cè)任何厚度的2D或3D鈣鈦礦中的激子結(jié)合能。研究人員發(fā)現(xiàn)，厚度超過20個(gè)原子(約12納米)的鈣鈦礦量子阱從量子激子轉(zhuǎn)變?yōu)槭覝叵氯S鈣鈦礦中常見的經(jīng)典自由載流子規(guī)則。

“這是我們展示RAMBO在高影響材料研究中的獨(dú)特功能的絕佳機(jī)會(huì)，”Kono說。“憑借出色的光學(xué)通道，這種基于微型線圈的脈沖磁體系統(tǒng)使我們能夠在高達(dá)30特斯拉的高磁場(chǎng)中進(jìn)行各種類型的光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)。”

研究人員指出，盡管實(shí)驗(yàn)是在超低溫下進(jìn)行的，但他們觀察到的也應(yīng)該適用于室溫。

“這項(xiàng)工作代表了一個(gè)基本的，非直觀的結(jié)果，我們?cè)赗uddlesden-Popper 2D混合鈣鈦礦中確定了激子結(jié)合能的通用尺度行為，”Mohite說。“這是幾十年來一直難以捉摸的基本測(cè)量，但在設(shè)計(jì)基于這類材料的任何光電器件之前，其知識(shí)至關(guān)重要，并可能在未來設(shè)計(jì)零閾值激光器時(shí)有所啟示用于光電子學(xué)的二極管和多功能異質(zhì)材料。“