Фізики СПбГУ дослідили світіння перспективного перовскітного напівпровідника.

Перовскит було синтезовано в Лабораторії кристаллофотоніки СПбГУ, створеній в рамках програми мегагрантів Міністерства науки та вищої освіти Росії. Результати дослідження опубліковані в The Journal of Physical Chemistry Letters.

Звичне багатьом біле світло, яке зустрічається у світлодіодних лампочках, можна отримати, якщо нанести жовто-оранжевий люмінофор на мініатюрний кристалик напівпровідника, що випромінює ультрафіолетове або синє світло. Таким чином, «в серці» будь-якої світлодіодної лампи знаходиться напівпровідник.

Зазвичай процес виготовлення таких напівпровідників є дорогим, оскільки потрібні вихідні чисті речовини та виробництво при високих температурах. Близько десяти років тому у світі почалися дослідження нових напівпровідників – галогенідних перовскитів. Тому виготовлення кристалів перовскитів значно дешевше, ніж «класичних» аналогів, оскільки їх вирощують з розчину.

Один з таких галогенідних перовскитів – MAPbCl₃ – гібридна сполука хлору, свинцю та невеликого органічного катіона метиламонію. Кристали такого перовскита прозорі, а якщо надати їм енергію – світяться в синьому та ближньому ультрафіолетовому діапазоні.

Для вивчення широкозонних напівпровідників досліджуваний кристал піддається облученню пучком електронів в електронному мікроскопі, оснащеному оптичним спектрометром. Енергія падаючих електронів переходить в збудження кристала, і він починає світитися, тобто відбувається люмінесценція.

Напівпровідники світяться при кімнатній температурі, проте розібратися в процесах, що відбуваються в кристалі, і механізмах його світіння допомагає охолодження кристала до низьких температур. Вчені з Лабораторії кристаллофотоніки СПбГУ синтезували кристал MAPbCl₃ та вивчили його катодолюмінесценцію при температурі рідкого азоту (-196^оС).

«Спектр світіння галогенідного перовскита MAPbCl₃ складний, у ньому можна виділити три основні спектральні смуги. Вчені бачили їх і раніше, але розуміння, з чим це світіння пов'язане і від чого воно залежить, – не було. Проведене нами дослідження дозволило розібратися в цьому питанні», – розповів доцент кафедри фотоніки СПбГУ Юрій Капітонов.

Одна з спектральних смуг виявилася світінням сторонніх домішок на поверхні кристала. Інші – належать самому перовскиту. Вчені встановили, що одна з цих смуг є світінням екситонів – «штучних атомів», що існують у напівпровідниках, а друга пов'язана з дефектами кристала. Як зазначають вчені, зазвичай напівпровідники з дефектами не світяться, і доводиться прикладати великі зусилля для отримання світящихся кристалів достатньої чистоти та якості. Проте дефекти в галогенідних перовскитах самі мають здатність випускати яскраве синє світло.

«Нашою несподіваною знахідкою виявилася можливість перестройки кольору світіння при облученні зразка електронами. Колір світіння може змінюватися без зниження інтенсивності, що говорить про перестройку структури дефектів галогенідного перовскита до стабільної форми. Така перестройка може використовуватися для тонкого налаштування готових виробів з галогенідного перовскита, наприклад, світлодіодів», – пояснив доцент кафедри електроніки твердого тіла фізичного факультету СПбГУ Юрій Петров.

Дослідження виконано в лабораторії кристаллофотоніки СПбГУ, створеній в рамках мегагранта Міністерства науки та вищої освіти Росії, на обладнанні ресурсного центру СПбГУ «Нанотехнології» Наукового парку СПбГУ.