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Tipo: Tese
Título: Optical and structural properties of perovskite-related structures under extreme conditions of pressure and temperature
Autor(es): Ferreira, Wellington Castro
Orientador: Ayala, Alejandro Pedro
Palavras-chave: Transformações de fase (Física Estatística);Perovskita;Alta pressão (Tecnologia)
Data do documento: 2020
Citação: FERREIRA, W. C. Optical and structural properties of perovskite-related structures under extreme conditions of pressure and temperature. 2020. 120 f. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2020.
Resumo: Blocos octaédricos são a principal característica geométrica de estruturas relacionadas à perovskita, e podem sofrer distorções pela aplicação de campos externos. Muitas propriedades físicas, tais como ferroeletricidade, piezoeletricidade, multiferroicidade, e propriedades fotovoltaícas podem estar relacionadas aos octaedros nessas estruturas. Mudanças nessas propriedades físicas podem ser esperadas em condições de altas pressões e altas temperaturas, uma vez que os deslocamentos dos cátions e distorções nos octaedros são sensíveis a pressão e temperatura. Portanto, experimentos de alta pressão/temperatura são uma maneira direta e robusta de explorar as propriedades estruturais, ópticas e ferróicas de materiais do tipo perovskita. Nesta tese estudamos várias estruturas deste tipo sob condições extremas de pressão e temperatura. Dois grupos de perovskitas foram estudadas, materiais multiferróicos e o perovskitas de haletos. No grupo dos materiais multiferróicos foram considerados um membro de quatro camadas da família Aurivillius (Bi5FeTi3O15 (BFTO)), e uma perovskita quadrupla (CaMn7O12 (CMO)). Apesar do interesse tecnológico dos compostos multiferróicos, estudos reportando a estabilidade estrutural em perovskitas multiferróicas complexas sob pressão hidrostática são escassos. Esta tese visa preencher esta lacuna de informações, investigando as transições de fase induzidas por pressão do BFTO e CMO. Para o BFTO, uma rica sequência de transições de fase foi verificada combinando espectroscopia Raman com difração de raios-X síncrotron de pó. Ambas as técnicas confirmam a existência de três transições de fase, e análises de strain induzidas pela distorção ortorrômbica nos permitiram inferir a ordem de duas destas transições. Por sua vez, mostramos que o CMO experimenta ao menos duas transições de fase estruturais até 19 Gpa, o que é incomum para perovskitas quádruplas. No grupo das perovskitas de haleto foram consideradas o composto da fase Ruddlesden-Popper Cs2PbI2Cl2 e a perovskita do tipo 0-D Cs4PbBr6. As estruturas de haletos metálicas tem surgido como o estado-da-arte dos matérias fotovoltaicos, devido às suas extraordinárias propriedades optoeletrônicas, baixo custo e métodos simples de fabricação baseados em soluções. Medidas de fotoluminescência (PL) e Raman Stokes e anti-Stokes dependentes da temperatura na faixa de (300 - 16 K) foram realizadas para o composto Cs2PbI2Cl2. Os espectros Raman não revelaram evidencia de transição de fase estrutural, entretanto, observamos características de Raman de segunda ordem e uma nova banda PL surgindo em baixas temperaturas. Análises da largura de linha da emissão em função da temperatura nos permitiram estabelecer que um forte acoplamento elétron-fônon ainda não relatado para este tipo de perovskitas de halogeneto está presente na fase Cs2PbI2Cl2. Por fim, discutimos as mudanças na estrutura e no comportamento da PL de monocristais (SCs) da perovskita 0D luminescente Cs4PbBr6 sob condições de alta pressões. A análise estrutural demonstrou que sua estrutura passa por duas transições de fase em torno de 3,2 e 4,5 GPa. A primeira transição de fase também foi observada em nanocristais, mas a segunda parece ser característica de cristais bulk. Em nosso (SCs) bulk de Cs4PbBr6 a emissão da PL é completamente suprimida em 3,5 GPa, indicando que nessa estrutura a fase de alta pressão (monoclínica) não produz uma condição favorável para o fenômeno da PL. Alinhado com os outros estudos de sistemas de perovskitas 0D sob condições de alta pressão, a PL do nosso sistema é muito semelhante ao relatado para o composto Cs3Bi2I9. Propomos que a PL dos SCs luminescentes de Cs4PbBr6 possam estar associadas com a distribuição de diferentes tamanhos de quantum dots ou nanocristais (NCs) de CsPbBr3 incorporados no Cs4PbBr6. Nossas descobertas fornecem informações valiosas sobre o mecanismo de luminescência, fazendo incursões significativas na origem da fotoluminescência na região do verde, compreendendo e lançando luz sobre as características estruturais e propriedades de PL dos cristais luminosos de Cs4PbBr6 sob condições extremas.
Abstract: Octahedra blocks are the main geometrical features of perovskite-related structures and can undergo distortions by application of external fields. Many physical properties, such as ferroelectricity, piezoelectricity, multiferroicity and photovoltaic properties can be related to the octahedra in these structures. Changes in these physical properties can be expected at high-pressure and high-temperature conditions once cations displacements and octahedral distortions are temperature and pressure-sensitive. Therefore, high-pressure/temperature experiments are a straightforward and robust way to explore the structural, optical, and ferroic properties of perovskites-related materials. In this thesis, we studied several perovskites-related structures under extreme conditions of pressure and temperature. Two groups of perovskites were studied, multiferroics materials and halide perovskites. In the multiferroic materials group, a four-layered member of the Aurivillius family (Bi5FeTi3O15 (BFTO)), and a quadruple perovskite (CaMn7O12 (CMO)) were considered. Despite the technological interest of multiferroic compounds, studies reporting the structural stability in complex multiferroic perovskites under hydrostatic pressure are scarce. This thesis aims to fill this gap of information by investigating the pressure-induced phase transitions of BFTO and CMO. For BFTO, a rich sequence of phase transitions was identified by combining Raman spectroscopy with synchrotron powder x-ray diffraction. Both techniques confirm the existence of three phase transition, and the analysis of the strain induced by the orthorhombic distortion allowed us to infer the order of two of them. In turn, we showed that CMO undergoes at least two structural phase transitions up to 19 GPa, which is unusual for quadruple perovskites. In the halide perovskites group, the Ruddlesden-Popper compound Cs2PbI2Cl2, and the 0-D perovskite Cs4PbBr6 were considered. Metal halide structures have emerged as a state-of-the-art photovoltaic material owing to their extraordinary optoelectrical properties, low cost, and simple solution-based fabrication methods. Temperature-dependent photoluminesce (PL), and Stokes-Anti-Stokes Raman measurements in the range (300 – 16 K) were performed for the Cs2PbI2Cl2 compound. The Raman spectra revealed no evidence of structural phase transitions; however, we observed second-order Raman features, and a new PL band arising at low temperatures. Analyses of the temperature-dependent emission linewidth allowed us to establish that a strong electron-phonon coupling not yet reported for this kind of halide perovskites is present in the Cs2PbI2Cl2 phase. Finally, we discuss the changes in the structure and the PL behavior of luminescent Cs4PbBr6 single crystals (SCs) under high-pressure conditions. The structural analysis demonstrated that its structure undergoes two phase transitions around 3.2 and 4.5 GPa. The first phase transition was also observed in nanocrystals, but the second seems to be characteristic of bulk crystals. In our Cs4PbBr6 bulk SCs, the PL emission is completely suppressed at 3.5 GPa, indicating that in this structure, the high-pressure (monoclinic) phase does not produce a favorable condition for the PL phenomena. In line with the other 0D perovskites systems studies under high-pressure conditions, the PL of our system is very similar to the one reported for Cs3Bi2I9. We proposed that the PL of the luminescent Cs4PbBr6 SCs can be associated with the different size distribution of quantum dots or NCs of CsPbBr3 embedded in Cs4PbBr6. Our findings provide valuable insight into the luminescence mechanism making significant inroads into green photoluminescence origin understanding and shedding light on the structural characteristics and PL properties of luminescent Cs4PbBr6 single crystals under extremes conditions.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/51533
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