Le perovskiti, una classe di materiali che adottano una struttura cristallina specifica, sono recentemente emerse come candidati promettenti per varie applicazioni optoelettroniche grazie alle loro eccellenti proprietà di assorbimento della luce e al costo relativamente basso. Tuttavia, manca ancora una comprensione fondamentale di come questi materiali rispondono all’eccitazione della luce, il che ostacola ulteriori miglioramenti e applicazioni pratiche.
In questo studio, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio elettronico ultraveloce all’avanguardia, ospitato presso il Centro per i nanomateriali funzionali (CFN) del Brookhaven Lab, per catturare i cambiamenti strutturali nei singoli nanocristalli di perovskite di bromuro di piombo cesio (CsPbBr3) dopo eccitazione della luce ultraveloce. Il design unico del microscopio del CFN ha permesso al team di registrare immagini ad alta risoluzione con una risoluzione temporale di soli pochi picosecondi.
I risultati hanno rivelato che entro pochi picosecondi dall’assorbimento della luce da parte dei nanocristalli, il loro reticolo cristallino – normalmente distorto a causa della disposizione degli atomi al suo interno – ha subito una trasformazione, diventando più simmetrico. Questo inaspettato raddrizzamento del reticolo è stato attribuito al movimento di elettroni altamente energetici o "caldi", che si ridistribuiscono transitoriamente all'interno dei nanocristalli.
L'autore principale Ming-Chang Chen, uno scienziato del Brookhaven Lab, ha fornito informazioni sui risultati sperimentali:"Abbiamo scoperto che la riorganizzazione del reticolo è strettamente legata alla dinamica di rilassamento degli elettroni caldi, che sono i principali vettori di energia nei dispositivi fotovoltaici e optoelettronici. Controllando questi processi ultraveloci, potremmo migliorare l’efficienza di questi dispositivi”.
Il raddrizzamento del reticolo osservato potrebbe avere importanti implicazioni per comprendere le proprietà guidate dalla luce e le prestazioni delle perovskiti. Ad esempio, nelle celle solari, i cambiamenti transitori del reticolo potrebbero influenzare il movimento e la separazione dei portatori di carica, influenzando la capacità della cella di convertire la luce in elettricità.
"I nostri risultati aprono nuove strade per esplorare e controllare le proprietà delle perovskiti su scala nanometrica", ha aggiunto l'autore corrispondente James M. Kikkawa, fisico del dipartimento di fisica e scienza dei materiali della materia condensata del Brookhaven Lab. "Manipolando questi processi ultraveloci, possiamo potenzialmente migliorare l'efficienza e le prestazioni dei dispositivi basati sulla perovskite per una vasta gamma di applicazioni."
Il gruppo di ricerca intende studiare ulteriormente queste dinamiche ultraveloci in diversi materiali di perovskite ed esplorare potenziali strategie per manipolarle e sfruttarle per applicazioni pratiche.
