Influence of the organic-spacer cations on optical properties of 2D lead bromide perovskites: Quantum vs. dielectric confinement effects
2차원 납 브로마이드 페로브스카이트의 광학적 특성에 대한 유기 스페이서 양이온의 영향: 양자 구속과 유전 구속 효과
- 주제(키워드) exciton , perovskite
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 장준익
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000082707
- UCI I804:11029-000000082707
- 본문언어 영어
- 저작권 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록(요약문)
The two-dimensional (2D) Ruddleseden-Popper (RP) phases of halide perovskites have gained considerable attention for their potential in optoelectronic applications owing to their excellent materials properties. Typically, 2D lead bromide perovskites with (A)2PbBr4 (A: organic-spacer cation) are best described by a naturally occurring multi-quantum-well structure alternated by the perovskite quantum well and the organic quantum barrier. The selection of organic-spacer cations is expected to significantly influence their optical properties by modulating quantum and dielectric confinement effects [1, 2]. However, the relevant study is rather limited at cryogenic temperatures. Here, we present our new results obtained from two representative 2D lead bromide perovskites with the A site being either phenylethylammonium (PEA, C8H12N +) or butylammonium (BA, C4H12N +) using power-dependent, polarization-resolved, and time-resolved photoluminescence (PL) spectroscopy. Interestingly, these 2D perovskites exhibit a sharp PL signal at cryogenic temperatures, which is attributed to radiative recombination of dark excitons (DX) near the crystal surface [3,4]. As expected, the DX exhibits a significantly longer lifetime than that of the bright exciton (FX) in both materials. Additionally, multiphoton absorption spectroscopy enabled the identification of the band edge and the resonant excitation of a new exciton level, which originates from conduction-band splitting arising from spin-orbit interactions. The polarization behavior of this band-split exciton also agrees well with group-theoretical predictions based on the symmetry of each crystal. Furthermore, quantitative analysis of the bandgap energies allowed us to estimate the binding energies of various excitonic states. We found that the binding energies of the FX and 2p-FX states, as well as the conduction band splitting, are larger in (BA)₂PbBr₄ compared to (PEA)₂PbBr₄. Our results highlight that (BA)₂PbBr₄ exhibits stronger confinement-driven excitonic interactions. Collectively, our study provides a comprehensive understanding of the excitonic landscape in the layered 2D perovskites and offers valuable insights for future design and control of excitonic phenomena in low-dimensional semiconductor systems.
more초록(요약문)
이차원(2D) Ruddlesden–Popper(RP) 상의 할라이드 페로브스카이트는 우수한 물질 특성 덕분에 광전자 응용 분야에서 상당한 주목을 받고 있다. 일반적으로 (A)2PbBr4 (A: 유기물 스페이서 양이온) 형태의 2D 납 브로마이드 페로브스카이트는, 양자 우물과 유기 양자 장벽이 번갈아 배열된 자연적인 다중 양자 우물 구조로 설명된다. 유기 스페이서 양이온의 선택은 양자 및 유전 구속 효과를 조절함으로써 이들 물질의 광학적 특성에 중대한 영향을 미치는 것으로 예상된다. 그러나 극저온 환경에서 이에 대한 연구는 아직 부족한 실정이다. 본 연구에서는 A-사이트 양이온으로 페닐에틸암모늄 (PEA, C8H12N +) 또는 부틸암모늄 (BA, C4H12N +)이 도입된 두 종류의 대표적인 2D 납 브로마이드 페로브스카이트를 대상으로 하여, 광 세기 의존, 편광 분해, 시간 분해 광발광(PL) 분광법을 사용해 새로운 실험 결과를 도출하였다. 흥미롭게도, 이들 2D 페로브스카이트는 극저온에서 매우 뚜렷한 PL 신호를 나타내는데, 이는 결정 표면 근처에서 발생하는 어두운 여기자(DX)의 방사성 재결합에 기인하는 것으로 분석된다. 예측대로, DX 는 두 물질 모두에서 밝은 여기자(FX)보다 현저히 긴 수명을 보였다. 또한, 다광자 흡수 분광법을 통해서 밴드갭을 식별하고, 스핀-궤도 상호작용으로 인한 전도대 분리에 기인한 새로운 여기자 준위를 공명적으로 여기할 수 있었다. 이 밴드 분리 기반 여기자의 편광 거동은 각 결정의 대칭성에 기반한 군론 이론 예측과도 잘 일치하는 것으로 나타났다. 나아가, 밴드갭 에너지에 대한 정량 분석을 통해 다양한 여기자 상태의 구속 에너지를 추정할 수 있었다. 그 결과, FX 및 2p-FX 상태의 구속 에너지뿐만 아니라 전도대 분리 크기 역시 (PEA)2PbBr4에 비해 (BA)2PbBr4 에서 더 크게 나타났다. 이러한 결과는 (BA)2PbBr4 가 보다 강한 구속 기반의 여기자 상호작용갖고 있음을 시사한다. 종합적으로, 본 연구는 층상 구조의 2D 페로브스카이트 내 여기자 에너지 구조에 대한 포괄적인 이해를 제공하며, 향후 저차원 반도체 시스템에서의 여기자 현상 설계 및 제어에 유용한 통찰을 제시한다.
more목차
I. Introduction 12
II. Theory 18
i) Optical selection rules 18
ii) Biexcitons 24
iii) Simplified Interpretation of the PL intensity Behavior 27
III. Method 30
i) Optical measurements 30
ii) Time-correlated Single Photon Counting (TCSPC) 33
iii) Synthesis of Perovskites 35
iv) Characterization Methods 36
IV. Results and Discussions 37
i) Excitation-Dependent Photoluminescence and Peak Assignment of
Excitonic Species in Br-Based 2D Perovskites 37
ii) Exciton Lifetime and Polarization Behavior in (BA)2PbBr4 and
(PEA)2PbBr4 47
iii) Multiphoton-induced Photoluminescence spectroscopy 54
iv) Impact of A-site cations on exciton fine structures 61
V. Conclusion 66
VI. Appendix 69
VII. References 82
