Выяснение природы хироптической активности в хиральных 2D-перовскитах с помощью нанотехнологий

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3259 (2022) Цитировать эту статью

5010 Доступов

16 цитат

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Хиральные перовскиты широко изучаются как многообещающий кандидат для оптоэлектронных устройств на основе спинтроники и поляризации из-за их интересных свойств спин-поляризации. Однако происхождение хироптической активности в хиральных перовскитах до сих пор неизвестно, поскольку механизм передачи хиральности исследовался редко. Здесь, посредством нано-ограниченного роста хиральных перовскитов (MBA2PbI4(1-x)Br4x), мы подтвердили, что асимметричное взаимодействие водородных связей между хиральными молекулярными спейсерами и неорганическим каркасом играет ключевую роль в стимулировании хироптической активности хиральных перовскитов. . Основываясь на этом понимании, мы наблюдали замечательное поведение асимметрии (диссимметрия поглощения 2,0 × 10–3 и коэффициент анизотропии фотолюминесценции 6,4 × 10–2 для лево- и правостороннего циркулярно поляризованного света) в наноограниченных хиральных перовскитах даже при комнатной температуре. Наши результаты показывают, что электронные взаимодействия между строительными блоками следует учитывать при интерпретации явлений переноса киральности и разработке гибридных материалов для будущих устройств на основе спинтроники и поляризации.

Хиральная фотоника, основанная на хироптических явлениях, привлекла огромный научный интерес в самых разных областях, таких как опто-спинтроника1,2, оптическая обработка информации3, биологическая наука4, хиральное биосенсорство5,6 и квантовые вычисления7,8. Хиральные материалы, которые обычно встречаются в природных органических соединениях, демонстрируют нелинейные оптические отклики в зависимости от состояния поляризации циркулярно поляризованного света (CPL) из-за своей нецентросимметричной природы. В частности, хиральные органические материалы широко используются в оптоэлектронных устройствах, основанных на явлении поляризации. Хотя органические хиральные материалы, сохраняющие различную физическую форму, распространены повсеместно, диапазоны длин волн, в которых обнаруживаются хироптические явления, ограничены ближней ультрафиолетовой (УФ) областью9,10. Кроме того, плохая способность органических материалов к переносу заряда затрудняет их практическое применение в оптоэлектронных устройствах.

В 2017 году наша группа заново открыла низкоразмерные органо-неорганические гибридные перовскиты (OIHP) как новый класс киральных полупроводников, которые также были признаны новой платформой для фотогальваники и светоизлучающих диодов (LED)11. Мы впервые сообщили, что OIHP с хиральными органическими катионами аммония проявляют круговой дихроизм (CD) в зависимости от различного поглощения левоциркулярно поляризованного света (LCP, σ+) и правовращающего циркулярно поляризованного света (RCP, σ−). С тех пор появилось много сообщений о различных хиральных ОИГП в форме нанокристаллов12,13, согелей14, нанопластинок15 и тонких пленок16,17 из-за их необычных спин-зависимых оптоэлектронных свойств, таких как сильное спин-орбитальное взаимодействие18, большое расщепление Рашбы. , длительное время жизни спина, превышающее 1 нс18,19, и большая длина спиновой диффузии, превышающая 85 нм20. Например, Лонг и др. продемонстрировали, что 3% циркулярно-поляризованной фотолюминесценции (ЦФЛ) достигается при температуре 2 К даже в отсутствие внешнего магнитного поля за счет изменения среднего числа неорганических слоев21. Несмотря на превосходные хироптические характеристики, наблюдаемые у хиральных OIHP, механизм переноса хиральности от хиральных объемистых органических катионов к ахиральному неорганическому каркасу все еще остается сомнительным. Чтобы полностью использовать огромный потенциал киральных OHIP для спиновой квантовой оптики и спинтроники, крайне необходимо четкое понимание происхождения хироптической активности.

Чтобы выяснить природу хироптической активности в хиральных OIHP, были предложены четыре различных механизма, участвующих в явлениях переноса хиральности в органо-неорганических гибридных системах: (i) кристаллизация в хиральную кристаллическую структуру, индуцированная хиральными органическими молекулами22,23, (ii) ) киральные искажения на поверхности неорганических полупроводников24,25, (iii) киральные дислокации26 и (iv) электронные взаимодействия между хиральными органическими молекулами и неорганическими полупроводниками27. Поскольку о хиральных OIHP с хиральной пространственной группой Зонке P212121 сообщалось в 2003 г.28,29, их хироптические явления интерпретировались на основе соотношения кристаллическая структура-свойство. Хотя пространственные взаимодействия между хиральными объемистыми органическими молекулами и ахиральным неорганическим каркасом (т.е. вышеупомянутые механизмы (i), (ii) и (iii)) дают прямое объяснение переноса хиральности, электронные взаимодействия между хиральными органическими молекулами и ахиральными молекулами неорганический каркас (т.е. механизм (iv), который менее изучен) также должен быть тщательно изучен. Совсем недавно было продемонстрировано, что большая π-связь \(({\varPi }_{6}^{6})\) с делокализованными электронами органического спейсера может эффективно модифицировать электронную конфигурацию квазидвумерных (2D ) ОИГП за счет эффекта связи между π-электроном и p-орбиталью йодида в неорганическом каркасе30. Таким образом, можно ожидать, что посредством тонкого контроля электронного взаимодействия между хиральными органическими молекулами и ахиральным неорганическим каркасом можно будет четко объяснить природу переноса хиральности в хиральных OIHP.