Mikroskopisches Verständnis vom Phonon-Bottleneck in 2D Perovskiten

• Antragsteller: Professor Dr. Ermin Malic
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504846924

Perovskite stellen ein bemerkenswertes Materialsystem dar, das sich in vielen Aspekten stark von herkömmlichen Halbleitern unterscheidet. Das große Interesse an Perovskiten führte dazu, dass auch die niederdimensionalen Formen, wie Nanokristalle und zweidimensionale (2D) Perovskite, in den Mittelpunkt der Forschung rückten. Dabei sind insbesondere 2D Perovskite für ihre hervorragenden Lichtemissions-Eigenschaften bekannt. So besitzen sie eine Quantenemissionseffizienz, die mehrere Größenordnungen höher ist als bei herkömmlichen Halbleitern. Die mikroskopische Ursache dieser technologisch wichtigen Eigenschaften ist noch immer Gegenstand laufender Forschung und wird in der Literatur kontrovers diskutiert. Das weiche Gitter der Perovskite führt zu einer spezifischen Exziton-Phonon-Wechselwirkung. Es ist insbesondere bekannt, dass Exzitonen nur sehr schwach mit akustischen Phononen koppeln. Dies könnte dazu führen, dass es zu einer extrem verlangsamten phonon-getriebenen Streuung in die tieferen dunklen Exzitonenzustände kommt. Dies könnte die Ursache für die beobachtete Lumineszenzeffizienz von Perovskiten sein. Ein klarer Beweis für diesen Phonon-Bottleneck zwischen hellen und dunklen Exzitonen fehlt allerdings noch. Daher bedarf es einer mikroskopischen Modellierung der Exzitondynamik. In diesem gemeinsamen Experiment-Theorie-Projekt werden wir den mikroskopischen Hintergrund des Phonon-Bottlenecks in 2D-Perowskiten und seinen Einfluss auf die Quantenemissionseffizienz untersuchen. Diese technologisch vielversprechenden Nanomaterialien stellen eine beispiellose Spielwiese zur Untersuchung der Relaxationsdynamik zwischen hellen und dunklen Exzitonenzuständen dar, da sie uns die Möglichkeit zur unabhängigen Modifikation der exzitonischen Feinstruktur und des Phononenspektrums bieten. Damit können wir nicht nur die phononen-getriebene Exzitondynamik grundlegend verstehen, sondern auch den Phonon-Bottleneck für Design von hocheffizienten Lichtemittern optimiert werden kann. Durch Variation der 2D-Perovskitdicke, der chemischen Zusammensetzung und des organischen Spacermoleküls werden wir in der Lage sein, den spektralen Unterschied zwischen dunklen und hellen Exzitonen einerseits und der optischen Phononenergie andererseits abzustimmen. Damit können wir den Effekt des Phonon-Botllenecks gezielt verstärken oder abschwächen. Um die Ziele dieses Projekts zu verwirklichen, werden wir die Expertise von einer experimentelle und einer theoretische Gruppen zusammenführen. Wir werden Methoden der optischen Spektroskopie mit der Modellierung von Exzitondynamik kombinieren und damit mikroskopische Einsichten in die elementaren Vielteilchen-Prozesse hinter dem Phononen-Bottleneck in 2D-Perovskiten gewinnen. Wir werden Strategien aufzeigen, wie dieser Effekt kontrolliert und die technologisch entscheidende Quantenemissionseffizienz von 2D-Perowskite optimiert werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartner: Dr. Michal Jerzy Baranowski