Физики СПбГУ исследовали свечение нового перовскитного полупроводника.

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.

Известный многим белый свет, используемый в светодиодных лампочках, можно получить, нанеся желто-оранжевый люминофор на небольшой кристаллик полупроводника, который излучает ультрафиолетовый или синий свет. Таким образом, полупроводник находится в «сердце» каждой светодиодной лампы.

Процесс производства таких полупроводников обычно довольно дорогой, так как требуют чистых исходных веществ и высоких температур при производстве. Примерно десять лет назад в мире начались исследования новых полупроводников – галогенидных перовскитов. Изготовление кристаллов перовскитов значительно дешевле, чем «классических» аналогов, поскольку их выращивают из раствора.

Одним из таких галогенидных перовскитов является MAPbCl₃ – гибридное соединение хлора, свинца и небольшого органического катиона метиламмония. Кристаллы этого перовскита прозрачные и начинают светиться в синем и ближнем ультрафиолетовом диапазоне, когда получают энергию.

Для изучения широкозонных полупроводников кристалл облучается пучком электронов в электронном микроскопе, оснащенном оптическим спектрометром. Энергия падающих электронов вызывает возбуждение кристалла, и он начинает светиться, что означает люминесценцию.

Хотя полупроводники светятся при комнатной температуре, охлаждение кристалла до низких температур помогает лучше понять процессы и механизмы его свечения. Ученые из Лаборатории кристаллофотоники СПбГУ синтезировали кристалл MAPbCl₃ и исследовали его катодолюминесценцию при температуре жидкого азота (-196^оС).

«Спектр свечения галогенидного перовскита MAPbCl₃ сложен, и в нем можно выделить три основных спектральные полосы. Ученые наблюдали их и ранее, но не понимали, с чем связано это свечение и от чего оно зависит. Проведенное нами исследование позволило прояснить этот вопрос», – сообщил доцент кафедры фотоники СПбГУ Юрий Капитонов.

Одна из спектральных полос оказалась результатом свечения посторонних примесей на поверхности кристалла. Остальные две – принадлежат самому перовскиту. Ученые выяснили, что одна из этих полос соответствует экситонам – «искусственным атомам», которые существуют в полупроводниках, а другая связана с дефектами кристалла. Как отмечают ученые, обычно полупроводники с дефектами не светятся, и для получения светящихся кристаллов достаточной чистоты и качества требуются значительные усилия. Однако дефекты в галогенидных перовскитах способны сами испускать яркое синее свечение.

«Нашей неожиданной находкой стало то, что цвет свечения можно изменять при облучении образца электронами. Цвет свечения может меняться без снижения интенсивности, что указывает на перестройку структуры дефектов галогенидного перовскита в стабильную форму. Такая перестройка может быть использована для тонкой настройки готовых изделий из галогенидного перовскита, например, светодиодов», – пояснил доцент кафедры электроники твердого тела физического факультета СПбГУ Юрий Петров.

Исследование было проведено в лаборатории кристаллофотоники СПбГУ, созданной в рамках мегагранта Министерства науки и высшего образования России, на оборудовании ресурсного центра СПбГУ «Нанотехнологии» Научного парка СПбГУ.