Las perovskitas de haluro metálico forman una clase popular de materiales con propiedades optoelectrónicas intrigantes. Una comprensión fundamental de las variaciones en las posiciones de los niveles de energía, en función de la composición de los materiales, Está perdido, sin embargo. Investigadores de la TU / e y la Universidad de Colonia han desarrollado una nueva metodología para determinar las posiciones absolutas del nivel de energía de todas las perovskitas primarias, y proporcionar explicaciones para las variaciones en estas posiciones.

La clase de materiales de perovskitas de haluro (AMX3, donde A es un catión alcalino, o un catión orgánico, como metilamina (MA) o formamidina (FA); B es plomo o estaño; X es un haluro) ha atraído una enorme atención en la comunidad científica recientemente, debido a los avances en la optoelectrónica de perovskita, principalmente en fotovoltaica y leds. Al intercambiar o mezclar diferentes iones en el cristal de perovskita, es posible ajustar el espacio óptico de estos semiconductores, permitiendo una superposición óptima con el espectro solar en absorción o una longitud de onda de emisión sintonizable. Los cambios en la banda prohibida están bien caracterizados. Sin embargo, el origen físico subyacente de estos cambios, los cambios en las posiciones del máximo de la banda de valencia (VBM) y del mínimo de la banda de conducción (CBM), son desconocidos. Conocer estas posiciones también es crucial para diseñar capas de contacto que puedan inyectar / extraer portadores de carga de manera eficiente en / desde estas perovskitas. como se requiere en dispositivos optoelectrónicos, o para diseñar dispositivos de heterounión multicapa con desplazamientos de banda adecuados entre las capas.

"Estábamos interesados ​​en comprender la compleja interacción de algunos factores sutiles pero correlacionados cuando se combinan diferentes tipos de iones en la estructura del cristal de perovskita, "explica Shuxia Tao, Assis. Prof. del Centro de Investigación en Energía Computacional (CCER) de Física Aplicada, Mar. Junto con Selina Olthof, físico experimental de la Universidad de Colonia, su equipo comenzó hace unos dos años para abordar este problema, iniciando una investigación experimental y teórica a gran escala de todas las perovskitas de haluro primario (18 materiales en total).

Se pueden medir las posiciones de VBM y CBM, en principio, por espectroscopia de fotoemisión (PES), y espectroscopia de fotoemisión inversa (IPES), respectivamente. Hasta ahora Los estudios de PES / IPES han informado valores bastante diversos para las posiciones VBM y CBM, sin embargo, incluso para materiales comunes de perovskita, porque estas posiciones son sensibles a las variaciones en los protocolos comunes de evaluación de datos.

Combinando cálculos de la teoría funcional de densidad (DFT) y datos de PES / IPES, los investigadores han desarrollado una metodología confiable que es capaz de determinar un conjunto consistente y preciso de datos de VBM y CBM para las 18 perovskitas. Más lejos, mediante el uso de un análisis de población hamiltoniana orbital cristalina (COHP) (Junke Jiang, Doctor. candidato en CCER), y el desarrollo de un modelo estricto (Prof. Geert Brocks, CCER), los investigadores pueden explicar el origen subyacente de las tendencias observadas en las posiciones del nivel de energía de la perovskita en términos de los niveles de energía de los cationes y aniones individuales, y la hibridación entre los estados atómicos correspondientes.

"Combinando varios métodos teóricos y experimentales, hemos creado una nueva metodología que nos permite obtener conocimientos completos de los niveles de energía electrónica de esta clase de material. Estamos muy satisfechos con el resultado de esta investigación después de dos años de esfuerzo continuo; creemos que nuestro trabajo tendrá un gran impacto en este campo porque este conocimiento es crucial para optimizar aún más los materiales de perovskita, así como su alineación de energía en un dispositivo de trabajo; Ambos son aspectos muy importantes para la eficiencia de los dispositivos optoelectrónicos de perovskita, "agrega Shuxia Tao.