ペロブスカイトカメレオンを絞ると赤面

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ペロブスカイトカメレオンを絞ると赤面
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Anonim
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中国とシンガポールの物理学者は、常圧で緑色に光を発するペロブスカイトを作りました。35,000気圧に圧縮すると、滑らかに赤色に変わります。科学者は、サンプルの電子が位置するポテンシャル井戸の深さが減少することによって、この色の変化を説明しています。この記事はScienceAdvancesに掲載され、Natureによって簡単に報告されました。

日本の物理学者のグループが2009年にペロブスカイトをベースにした最初の有機金属太陽電池を製造して以来、これらの化合物に対する興奮は着実に高まっています。ペロブスカイトは1839年にウラル山脈で発見された鉱物で、レブペロフスキー伯爵にちなんで名付けられました。ペロブスカイト結晶格子は、それぞれ立方体、立方八面体、八面体の頂点にあるチタン、カルシウム、酸素原子で構成されています。この結晶格子からハイブリッド有機金属化合物を得るには、チタンイオンを別の金属のイオンに、カルシウム原子を有機カチオンに、酸素原子をハロゲン原子(塩素、臭素、またはヨウ素)に置き換える必要があります。特に普及しているのは、鉛原子とメチルアンモニウム分子から組み立てられた化合物の変種です。

ペロブスカイトの人気は、製造のしやすさとカスタマイズのしやすさという2つの重要な要素に起因しています。ペロブスカイトの光学特性を変えるには、製造段階でその組成をわずかに調整するだけで十分です。化合物の特性は、ハロゲン原子に特に強く依存します。たとえば、ヨウ素原子を含むペロブスカイトナノアンテナは赤く光り、臭素原子を含む同じナノアンテナは青く光ります。したがって、物理学者はしばしばペロブスカイトを使用してソーラーパネル、マルチカラーレーザー、LEDを製造します。ペロブスカイトの使用に関する詳細は、「ほとんどの発見はまだ行われていない」という資料に記載されています。

さらに、数年前、科学者たちは、既製のペロブスカイトの特性を機械的に調整できることを発見しました。鉛メチルアンモニウムペロブスカイトを約15,000気圧の圧力に圧縮すると、フォトルミネッセンス放射の長さがほぼシフトします。 50ナノメートル。言い換えれば、ゼロ圧力でレーザーをサンプルに照射すると、サンプルは807ナノメートルの波長で、850ナノメートルの長さで高圧で発光します。ただし、実際のアプリケーションでは、このギャップは小さすぎます。圧力を上げようとすると、コンパウンドの構造が大きく変化し、その後すぐに光りなくなります。

Qihua Xiongが率いる物理学者のグループは、この欠点を取り除き、利用可能な波長範囲を可視スペクトルの半分に拡大する方法を考え出しました。これを行うために、科学者は小さなメチルアンモニウムイオンをフェニルエチルアンモニウムイオンの長鎖に置き換え、それによって空間内の鉛原子を分離し、3次元結晶を効果的な2次元構造に変えました。物理学者は、ハロゲン原子としてヨウ素原子を使用しました。研究者は、合成された化合物をダイヤモンドセルにロードし、約6万気圧の圧力に圧縮しました。化合物の内部構造の変化を捉えるために、科学者はX線回折分析を使用し、光放射を観察しました-ラマン分光法と時間分解能のあるフォトルミネッセンス分光法(時間分解フォトルミネッセンス分光法)。

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実験とペロブスカイトの結晶構造の図(a)、ペロブスカイトの圧縮による特徴的な色の変化(b)

その結果、物理学者は、圧力が0から35,000気圧に上昇すると、ペロブスカイト放射の波長が521(緑)から602ナノメートル(赤)に増加することを発見しました。極値の間では、結晶が黄色とオレンジ色に光ります。さらに、これらの制限内では、色の変化は完全に可逆的であり、圧力の変化の直後に続きます。著者らは、このような圧力は、ダイヤモンドセルを使用せずに実際に簡単に達成できることを強調しています。その後の62,000気圧への圧縮により、波長は増加し続けますが、放射強度は指数関数的に低下し、変化は不可逆的になります。同時に、平均フォトルミネッセンス時間は減少します。

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圧縮に伴うペロブスカイトの発光スペクトルの変化

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圧力の増加に伴う放射線の強度(四角)と平均持続時間(丸)の減少

科学者によると、フォトルミネッセンスの色の変化は、サンプルの結晶構造の再配列によって説明されます。圧力が高いほど、電子が原子から離れやすくなり、エネルギーが低くなり、波が長くなります。再結合中に放出される光。この仮定を確認するために、科学者はサンプルの結晶構造と電子が密度汎関数理論の枠組み内にあるポテンシャル井戸の深さを数値的に計算しました。予想通り、圧力が高くなると、原子間の平均距離とポテンシャル井戸の深さが減少します。 X線構造解析を使用した結晶格子のパラメータの測定は、この理論的結果を確認します。

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結晶構造の変化(a)と電子のポテンシャル井戸の深さ(b)、それに伴う0から4万気圧への圧縮

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さまざまな圧力で測定されたX線光の回折ピークの位置

原則として、高圧は物質の性質を大きく変化させます。たとえば、数百万気圧程度の圧力では、オスミウムの内部構造が変化し、窒素が液体金属に変わり、水素が固体になります。さらに、このような高圧では、異常な化合物が形成されます。特に、二酸化ケイ素の結晶構造が再配列され、ヘリウムが水素および鉄と結合し、Na3Cl、NaCl3、NaCl7などの「不可能な」塩が現れます。極限状態での物質の振る舞いについての詳細は、資料「地球の中心への旅」にあります。

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