Anomalous Behavior in Dark-Bright Splitting and Its Impact on Biexciton Binding Energy in (BA)2(MA)n-1PbnBr3n+1 (n = 1–3)
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 장준익
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000076934
- UCI I804:11029-000000076934
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록
Two-dimensional (2D) Ruddlesden-Popper (R-P) series of metal organic-inorganic halide perovskites have been considered a promising candidate for optoelectronic materials. Especially, the 2D R-P series are an excellent system for tuning physical properties of the perovskite by controlling the layer number (n). For instance, bandgap and exciton binding energies of the series gradually increase upon reducing n via enhanced quantum confinement. Meanwhile, the 2D R-P series can host tightly bound excitons even at room temperature due to strong quantum confinement. It implies that 2D confinement can also enhance the stability of a biexciton. Recently, it was shown that the biexciton is formed by binding of two dark excitons, which is stable up to around 100 K in (BA)2PbBr4. However, there is no comprehensive study on the stability of biexcitons upon tuning n in the R-P series. Herein, we investigate the biexciton binding energy as a function of n in (BA)2(MA)n-1PbnBr3n+1 (n = 1–3) by employing precision optical measurements, such as photoluminescence (PL) spectroscopy, second harmonic generation (SHG) measurement, and X-ray diffraction (XRD) measurement. Based on the PL spectra obtained from the 2D R-P series as a function of excitation intensity, polarization, and temperature, we demonstrate that electron-hole exchange interaction does not follow the expected tendency because of particularly small splitting between bright and dark exciton levels of 8.0 meV at n = 2. This in turn causes that biexciton binding between two dark excitons takes the maximum value of 24.2 meV at n = 2, not n = 1 with 17.6 meV. The observed anomaly arises from a newly discovered phase transition induced by octahedral tilting occurring only at n = 2 near 100 K as confirmed by temperature-dependent optical and X-ray diffraction measurements. Clearly, our results show that Coulomb interaction need not vary gradually with n, which can impact of the optoelectronic properties of the Ruddlesden-Popper series.
more초록
유기물과 무기물이 혼합된 이차원 할라이드 Ruddlesden-Popper (R-P) 페로브스카이트는 차세대 광 전자 물질로 각광받고 있다. 특히, 이차원 R-P 페로브스카이트의 층 수 (n)를 변화시킬 때 물리적 특성이 변화한다. 예를 들어, n 이 감소할 때 양자 가둠 효과가 증가하므로 띠 틈 에너지와 엑시톤 결합 에너지가 증가한다. 한편, 이차원 R-P 페로브스카이트에서는 강한 양자 가둠 효과 때문에 상온에서도 엑시톤이 안정적으로 형성된다. 이는 이차원 가둠 효과가 엑시톤 뿐만 아니라 엑시톤의 전기적 쿨롱 상호작용의 결합체인 쌍 엑시톤도 안정적으로 형성될 수 있도록 기여함을 암시한다. 최근, (BA)2PbBr4 (n = 1)에서 어두운 엑시톤 두 개가 결합한 쌍 엑시톤이 100 K 까지 안정적으로 형성되어 관측되었다고 알려졌다. 하지만, 여전히 이차원 R-P 페로브스카이트에서 n 에 따른 쌍 엑시톤 안정성에 대한 연구는 아직 부족하다. 본 연구에서는 광 측정 (광 발광 측정과 이차 고조파 발생 측정)과 엑스선 회절 측정을 통해 단결정 (BA)2(MA)n-1PbnBr3n+1 (n = 1–3)에서의 쌍 엑시톤 결합 에너지를 연구했다. 여기 레이저의 에너지, 세기, 편광, 그리고 온도의 함수로 관측한 광 발광 스펙트럼으로부터 n = 2 의 10 K 에서의 밝은 엑시톤과 어두운 엑시톤의 분리 에너지가 8.0 meV로 n = 1–3 중에서 가장 작은 것을 알 수 있었고, 이와 더불어 전자-양공 교환 상호작용이 n 에 비례하며 변화하지 않는다는 것을 증명했다. 이에 따라, 두 개의 어두운 엑시톤이 결합한 쌍 엑시톤 결합 에너지는 n = 1 에서 17.6 meV, n = 2 에서 24.2 meV, n = 3 에서 12.0 meV이고 n = 1 이 아닌 n = 2 에서 쌍 엑시톤 결합 에너지가 더 크다는 것을 확인했다. 이러한 비정상적인 현상은 광 측정과 엑스선 회절 측정 모두 온도의 함수로 관측하여 n = 2 물질에서만 100 K 근처에서 무기물로 구성된 정팔면체의 기울임에 영향을 받아 발생하는 상 전이 때문이라는 것을 발견했다. 본 연구는 전기적 쿨롱 상호작용이 n 에 따라 점진적으로 변화할 필요가 없다는 것을 제안하고, 이는 광 특성 최적화를 통해 엑시톤 기반 응용에 길잡이가 됨을 시사한다.
more목차
I. Introduction 15
II. Theory 21
i. Simple analysis on the intensity dependence of the PL peaks 21
ii. Spectral shape of the biexciton PL peak 25
III. Method 28
i. Optical measurements 28
ii. Temperature-dependent single crystal XRD measurements on (BA)2(MA)Pb2Br7 31
iii. Synthesis and basic characterization of the R-P series 32
IV. Results and discussion 35
i. Photoluminescence spectroscopy 35
ii. Phase transition in (BA)2(MA)Pb2Br7 (n = 2) 51
iii. Impact of dark-bright splitting on the biexciton binding energy 63
V. Conclusion 71
VI. Appendix 73
VII. References 87
