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Wissenschaftler von der ETH Zürich, Empa und Stanford haben mithilfe ultraschneller Elektronenbeugungseinrichtungen einen Durchbruch erzielt. Sie beobachteten Schnappschüsse der Kristallstruktur von Perowskit-Nanokristallen, während diese von angeregten Elektronen verformt wurden. Überraschend zeigte sich, dass die Verformung die anfänglich schiefe Kristallstruktur des Materials gerade bog, statt sie ungeordneter zu machen.
Das Verständnis der Bewegungen von Atomen und Elektronen in Materialien ist oft der Schlüssel zur Lösung vieler wissenschaftlicher und technischer Herausforderungen. Besonders im Fokus standen die Halid-Perowskite, Mineralien, die in verschiedenen Technologien wie Solarzellen oder Quantenanwendungen Anwendung finden. Ein Forscherteam unter der Leitung von Nuri Yazdani und Vanessa Wood von der ETH Zürich sowie Aaron Lindenberg in Stanford hat bedeutende Fortschritte im Verständnis von Perowskiten erreicht. Sie konnten die Bewegungen von Atomen in Nanokristallen mit einer zeitlichen Auflösung von wenigen Milliardstel Sekunden untersuchen und ihre Erkenntnisse kürzlich im Fachjournal Nature Physics veröffentlichen.
"Perowskite sind für viele optoelektronische Anwendungen fantastisch geeignet", erklärt Yazdani. "Aber es ist faszinierend, dass diese Materialklasse solch herausragende optische und elektronische Eigenschaften besitzt." Diese Minerale besitzen eine Kristallstruktur ähnlich dem "ursprünglichen" Perowskit Calciumtitanat (CaTiO3). Es war bereits bekannt, dass angeregte Elektronen, wenn Perowskite Licht absorbieren, stark an Phononen im Material koppeln. Phononen sind kollektive Schwingungen der Atome in einem Kristall.
"Normalerweise betrachten wir die mittlere Position jedes Atoms im Kristall als fest", erklärt Yazdani. "Aber das ändert sich, wenn die optische Anregung von Elektronen zu einer umfassenden Umstrukturierung des Kristallgitters führt." Die zentrale Frage war also: Wie verändern angeregte Elektronen in Perowskiten die Form des Kristallgitters?
Einblick in Nanokristalle
Um in das Innere eines Perowskits, konkret eines Formamidinium-Blei-Bromids, zu blicken, nutzten die Forscher die ultraschnelle Elektronenbeugungs-Strahllinie am Stanford National Accelerator Laboratory (SLAC). Elektronenpulse von nur wenigen hundert Femtosekunden (Millionstel einer Millionstel Sekunde) trafen auf die 10 Nanometer grossen Perowskit-Nanokristalle, und die gebeugten Elektronenmuster wurden auf einem Schirm aufgezeichnet. Ähnlich wie Licht, das durch einen Doppelspalt geht, konnten sie anhand der Beugungsmuster winzige Änderungen in der Kristallstruktur messen.
Die Forscher nutzten eine Besonderheit der Strahllinie, um die Verformung des Kristallgitters während und nach der Absorption von Photonen zu beobachten. Durch die Koordination von Photonenaussendung und Elektronenpuls konnten sie die relative Ankunftszeit beider an den Nanokristallen kontrollieren. Die Auswertung dieser Schnappschüsse über mehrere hundert Pikosekunden ermöglichte es, die zeitliche Entwicklung der durch angeregte Elektronen verursachten Verformung des Kristallgitters zu verfolgen.
Überraschende Erkenntnisse
ie Ergebnisse überraschten die Forscher: Statt eine Reduzierung der Symmetrie des Kristallgitters zu erwarten, stellten sie fest, dass die Verformung eine leicht erhöhte Symmetrie bewirkte. Die angeregten Elektronen hatten die schiefe Kristallstruktur des Perowskits stattdessen ein wenig gerader gebogen. Modellrechnungen deuteten darauf hin, dass mehrere Exzitonen, gebundene Paare von angeregten Elektronen und positiv geladenen Löchern, gemeinsam das Gitter gerichtet hatten. Diese Exzitonen ziehen sich aufgrund einer Verringerung ihrer Gesamtenergie gegenseitig an.
Massgeschneiderte optische Eigenschaften
"Ein Verständnis der Elektronen-Phononen-Kopplung wird es uns ermöglichen, massgeschneiderte Perowskite mit spezifischen optischen Eigenschaften für verschiedene Anwendungen herzustellen", sagt Yazdani. Diese Erkenntnisse könnten die Entwicklung von Perowskit-Nanokristallen für zukünftige Fernsehtechnologien verbessern, indem sie mit einer Schale aus einem anderen Material ummantelt werden, um die optische Kopplung zu reduzieren. Ähnlich wie bei Supraleitern könnte diese Anziehung auch für den verlustfreien Elektronentransport genutzt werden, was wiederum die Entwicklung von Perowskit-basierten Solarzellen vorantreiben könnte.