Ricercatori dell'ETH di Zurigo, dell'Empa e di Stanford hanno fotografato la struttura cristallina dei nanocristalli di perovskite mentre veniva deformata dagli elettroni eccitati. Con loro sorpresa, la deformazione ha raddrizzato la struttura cristallina distorta invece di renderla più disordinata.
Molti problemi scientifici e tecnici potrebbero essere risolti facilmente se fosse possibile guardare all’interno di un materiale e osservare i suoi atomi ed elettroni muoversi in tempo reale. Nel caso delle perovskiti alogenuri, una classe di minerali diventata molto popolare negli ultimi anni per il loro utilizzo in tecnologie che vanno dalle celle solari alle tecnologie quantistiche, i fisici hanno cercato a lungo di comprenderne le eccellenti proprietà ottiche.
Un team di ricercatori guidato da Nuri Yazdani e Vanessa Wood dell’ETH di Zurigo e Aaron Lindenberg di Stanford, insieme ai colleghi dell’Empa di Dübendorf, hanno ora compiuto progressi significativi verso la nostra comprensione delle perovskiti studiando il movimento degli atomi all’interno dei nanocristalli con un tempo risoluzione di pochi miliardesimi di secondo. Recentemente hanno pubblicato le loro scoperte su Nature Physics .
"Le perovskiti agli alogenuri sono ottime per molte applicazioni optoelettroniche", afferma Yazdani. "Ma è in qualche modo sconcertante come questa classe di materiali possa esibire proprietà ottiche ed elettroniche così eccezionali." Le perovskiti sono minerali che hanno lo stesso tipo di struttura cristallina del titanato di calcio (CaTiO3 ), la perovskite "originale".
I ricercatori sapevano che quando le perovskiti assorbono la luce, gli elettroni che sono eccitati a energie più elevate si accoppiano fortemente ai fononi all’interno del materiale. I fononi sono vibrazioni collettive, simili alle onde sonore, degli atomi in un cristallo. "Spesso si può considerare fissa la posizione media di ciascun atomo all'interno di un cristallo, ma ciò non è più possibile quando l'eccitazione ottica di un elettrone porta ad una grande riorganizzazione del reticolo cristallino", spiega Yazdani. La domanda a cui dovevano rispondere i ricercatori era, quindi:come fanno gli elettroni eccitati nelle perovskiti a cambiare la forma del reticolo cristallino?
Guardando all'interno dei nanocristalli
Per dare una sbirciatina all'interno di una perovskite (formamidinio bromuro di piombo) sintetizzata all'Empa da Maryna Bodnarchuk e dal professore dell'ETH Maksym Kovalenko, i ricercatori hanno utilizzato un impianto di diffrazione di elettroni ultraveloce presso lo Stanford National Accelerator Laboratory (SLAC) che produce impulsi molto brevi di elettroni di durata solo cento femtosecondi, ovvero milionesimi di milionesimo di secondo. Questi elettroni colpiscono poi i nanocristalli di perovskite, di circa 10 nanometri di dimensione, e gli elettroni diffratti vengono raccolti su uno schermo.
Poiché gli elettroni sono particelle quantistiche che si comportano come onde, dopo essere state diffratte dagli atomi all’interno del materiale le onde degli elettroni interferiscono in modo costruttivo o distruttivo, a seconda delle posizioni degli atomi e della direzione della diffrazione, proprio come la luce che emerge da una doppia fenditura. Anche i più piccoli cambiamenti nella struttura cristallina possono essere misurati in questo modo.
I ricercatori dell'ETH hanno sfruttato una caratteristica speciale della linea di luce SLAC per scattare istantanee della struttura cristallina durante e dopo l'assorbimento di un fotone:utilizzando lo stesso laser per creare i fotoni e innescare l'impulso elettronico, sono riusciti a controllare il tempo di arrivo del fotone ai nanocristalli rispetto a quello degli elettroni modificando la distanza che i fotoni dovevano percorrere. Dall'analisi di quelle istantanee nell'arco di diverse centinaia di picosecondi (miliardesimi di secondo), è stato possibile vedere come si è evoluta nel tempo la deformazione del reticolo cristallino causata dagli elettroni fotoeccitati.
I risultati hanno colto di sorpresa i ricercatori. Si aspettavano di vedere una deformazione del reticolo cristallino che avrebbe dovuto portare ad una riduzione della sua simmetria. Invece, hanno osservato uno spostamento verso una maggiore simmetria:gli elettroni eccitati avevano leggermente raddrizzato la struttura cristallina distorta della perovskite.
Dai calcoli del modello sono stati in grado di dedurre che diversi eccitoni – coppie legate di elettroni eccitati e lacune caricate positivamente lasciate dalla loro eccitazione – potrebbero cooperare per raddrizzare il reticolo. Poiché ciò riduce la loro energia totale, gli eccitoni sono stati effettivamente attratti l'uno dall'altro.
"Comprendere l'origine dell'accoppiamento elettrone-fonone renderà più semplice la produzione di perovskiti con particolari proprietà ottiche su misura per applicazioni specifiche", afferma Yazdani. Ad esempio, i nanocristalli di perovskite da utilizzare negli schermi televisivi di prossima generazione possono essere rivestiti in un guscio di un altro materiale per ridurre l’accoppiamento elettrone-fonone e quindi ridurre l’ampiezza della linea spettrale della luce emessa. Ciò è stato già dimostrato nel 2022 da diversi coautori dello studio Nature Physics carta.
Inoltre, poiché l’interazione attrattiva tra gli eccitoni è simile al meccanismo che consente alla corrente elettrica di fluire senza perdite nei superconduttori, tale attrazione potrebbe essere sfruttata per migliorare il trasporto degli elettroni. Ciò potrebbe, a sua volta, essere utile per realizzare celle solari a base di perovskiti.
Ulteriori informazioni: Nuri Yazdani et al, L'accoppiamento con inclinazioni ottaedriche nei nanocristalli di perovskite di alogenuri induce interazioni attrattive mediate da fononi tra eccitoni, Fisica naturale (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02253-7
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
Fornito da ETH Zurigo
