As perovskitas de haletos metálicos formam uma classe popular de materiais com propriedades optoeletrônicas intrigantes. Uma compreensão fundamental das variações nas posições dos níveis de energia, em função da composição dos materiais, está desaparecido, Contudo. Pesquisadores da TU / e e da Universidade de Colônia desenvolveram uma nova metodologia para determinar as posições absolutas do nível de energia de todas as perovskitas primárias, e fornecer explicações para as variações nessas posições.

A classe de materiais das perovskitas halogenadas (AMX3, onde A é um cátion alcalino, ou um cátion orgânico, tais como metilamina (MA) ou formamidina (FA); B é chumbo ou estanho; X é um haleto) atraiu enorme atenção na comunidade científica recentemente, devido a avanços na optoeletrônica perovskita, principalmente em fotovoltaicos e LEDs. Ao trocar ou misturar íons diferentes no cristal de perovskita, é possível ajustar o gap óptico desses semicondutores, permitindo uma sobreposição ideal com o espectro solar na absorção ou um comprimento de onda ajustável de emissão. As mudanças nas lacunas de banda são bem caracterizadas. Contudo, a origem física subjacente dessas mudanças, as mudanças nas posições da banda de valência máxima (VBM) e da banda de condução mínima (CBM), são desconhecidos. Conhecer essas posições também é crucial para projetar camadas de contato que podem injetar / extrair portadores de carga de forma eficiente para / a partir dessas perovskitas, como é necessário em dispositivos optoeletrônicos, ou para projetar dispositivos de heterojunção multicamadas com deslocamentos de banda adequados entre as camadas.

"Estávamos interessados ​​em compreender a complexa interação de alguns fatores sutis, mas correlacionados, ao combinar diferentes tipos de íons na estrutura cristalina da perovskita, "explica Shuxia Tao, Assis. Prof. do Centro de Pesquisas Energéticas Computacionais (CCER) de Física Aplicada, Ter. Junto com Selina Olthof, físico experimental da Universidade de Colônia, sua equipe começou há cerca de dois anos para resolver este problema, iniciando uma investigação experimental e teórica em grande escala de todas as perovskitas halogenadas primárias (18 materiais no total).

As posições de VBM e CBM podem ser medidas, em princípio, por espectroscopia de fotoemissão (PES), e espectroscopia de fotoemissão inversa (IPES), respectivamente. Até agora, Estudos PES / IPES relataram valores bastante diversos para as posições VBM e CBM, Contudo, mesmo para materiais comuns de perovskita, porque essas posições são sensíveis a variações em protocolos de avaliação de dados comuns.

Combinando cálculos da teoria funcional da densidade (DFT) e dados PES / IPES, os pesquisadores desenvolveram uma metodologia confiável que é capaz de determinar um conjunto consistente e preciso de dados VBM e CBM para todas as 18 perovskitas. Avançar, usando uma análise de população hamiltoniana orbital de cristal (COHP) (Junke Jiang, Ph.D. candidato no CCER), e desenvolver um modelo de ligação forte (Prof. Geert Brocks, CCER), os pesquisadores são capazes de explicar a origem subjacente das tendências observadas nas posições do nível de energia da perovskita em termos dos níveis de energia dos cátions e ânions individuais, e a hibridização entre os estados atômicos correspondentes.

"Combinando vários métodos teóricos e experimentais, criamos uma nova metodologia que nos permite obter uma visão abrangente dos níveis de energia eletrônica desta classe de material. Estamos muito satisfeitos com o resultado desta pesquisa após dois anos de esforço contínuo; acreditamos que nosso trabalho terá um amplo impacto neste campo porque este conhecimento é crucial para otimizar ainda mais os materiais de perovskita, bem como seu alinhamento de energia em um dispositivo de trabalho; ambos são aspectos muito importantes para a eficiência dos dispositivos optoeletrônicos de perovskita, "acrescenta Shuxia Tao.