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Tipo: Tese
Título: Electron-phonon coupling in low-dimensional metal halide perovskites
Título em inglês: Electron-phonon coupling in low-dimensional metal halide perovskites
Autor(es): Soares, Cássio César Silva
Orientador: Paschoal, Carlos William de Araújo
Coorientador: Souza, José Antônio
Palavras-chave em português: Perovskitas de haleto metálico;Acoplamento elétron-fônon;Éxcitons auto aprisionados;Fatores de Huang–Rhys;Distorções octaédricas
Palavras-chave em inglês: Metal halide perovskites;Electron-phonon coupling;Self-trapped excitons;Huang Rhys factor;Octahedra distortions
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Data do documento: 2026
Citação: SOARES, Cássio César Silva. Electron-phonon coupling in low-dimensional metal halide perovskites. 2026. Tese (Doutorado em Física) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2026.
Resumo: Perovskitas de haleto metálico (MHPs) são materiais versáteis e de baixo custo para aplicações optoeletrônicas como células solares e LEDs, oferecendo arquiteturas multifuncionais que aumentam a absorção óptica e a mobilidade de portadores de carga. Perovskitas de haleto metálico de baixa dimensionalidade (LDMHPs) têm ganhado bastante atenção principalmente por suas estabilidades superiores e confinamentos quânticos em nível molecular, onde restrições estruturais criam camadas bidimensionais (2D), cadeias unidimensionais (1D) ou aglomerados isolados (0D) das suas estruturas inorgânicas. A natureza “maleável” das LDMHPs facilita distorções estruturais rápidas após a excitação, à medida que os portadores de carga das quase-partículas chamadas éxcitons, formados por pares elétron-buraco ligados por forças de Coulomb, interagem com os íons da rede por meio de fônons. Essa relação é governada pelo acoplamento elétron-fônon (EPC), que gera quase-partículas chamadas polarons que ditam significativamente propriedades optoeletrônicas como a fotoluminescência (PL). Compreender os mecanismos e a força do EPC é, portanto, essencial para o desenvolvimento de materiais de alta eficiência, particularmente para fontes de iluminação de luz branca capazes de alcançar economias de energia globais substanciais. Neste contexto, esta tese foca no estudo do EPC em LDMHPs, referindo-se primariamente às suas propriedades optoeletrônicas, tais como PL a baixa temperatura. A primeira família de LDMHPs estudada foi a das perovskitas de haleto 0D A2SnBr6 (A = Cs, Rb). Para o composto Cs2SnBr6, as análises revelaram um EPC forte, conforme evidenciado por emissão de multifônons, levando a overtones superiores intensos até quarta ordem. Tal força do EPC foi confirmada pelo fator de Huang–Rhys S = 24,4 a partir do fenômeno de PL decorrente de éxcitons auto aprisionados (STE), com a contribuição de fônons relacionados ao estiramento assimétrico Sn–Br predominando na transição eletrônica. Além disso, para o composto Rb2SnBr6, medidas de PL dependentes da temperatura, complementadas por outras técnicas de caracterização e cálculos teóricos, revelaram uma emissão de banda larga com um deslocamento de Stokes significativo atribuído a estados de STE. O mecanismo de Fröhlich, mediado por interações entre portadores de carga dos éxcitons e fônons ópticos longitudinais (LO), foi o principal responsável pelo alargamento da emissão através da recombinação radiativa assistida por fônons. A força do EPC foi avaliada através do fator de Huang–Rhys S = 34, confirmando fortes correlações entre propriedades eletrônicas e vibracionais. O possível mecanismo de formação de STE foi avaliado pelo parâmetro de Fröhlich α de 2.78 para elétrons e 4.41 para buracos, o que apontou uma contribuição majoritária da quase-partícula buraco-polaron no aprisionamento de éxcitons. Por fim, a última família de LDMHPs investigada consistiu em perovskitas de brometo de chumbo de baixa dimensionalidade com espaçadores quirais baseados em α-metilbenzilamina (MBA). Verificou-se que o uso de uma mistura racêmica desta molécula orgânica resultou em uma redução de dimensionalidade das fases 2D (R-/S-MBA)2PbBr4, obtidas ao usar os enantiômeros R- e S-MBA do espaçador orgânico, para a fase 1D (RacMBA)3PbBr5·H2O, que exibiu um comportamento de PL diferente em comparação com as fases 2D e dois regimes de EPC com fatores de Huang–Rhys de S = 67 acima de 110 K e S = 189 abaixo deste limiar, que foram posteriormente correlacionados com o grau de distorções octaédricas da estrutura 1D inorgânica ao reduzir a temperatura. Os resultados obtidos através desta tese servem como um guia para o caminho do desenvolvimento de novos e aprimorados dispositivos e tecnologias voltados para aplicações optoeletrônicas.
Abstract: Metal halide perovskites (MHPs) are versatile, low-cost materials for optoelectronic applications like solar cells and LEDs, offering tunable architectures that enhance optical absorption and carrier mobility. Low-dimensional metal halide perovskites (LDMHPs) have specifically gained attention for their superior stability and molecular-level quantum confinement, where structural constraints create 2D layers, 1D chains, or 0D clusters of the inorganic framework. The "soft" lattice nature of LDMHPs facilitates rapid structural distortions upon excitation as the charge carriers of the quasiparticles called excitons, formed by bound electron-hole pairs through Coulomb forces, interact with lattice ions through phonons. This relationship is governed by electron-phonon coupling (EPC), which forms quasiparticles called polarons that significantly dictate optoelectronic properties such as photoluminescence (PL). Understanding the mechanisms and strength of EPC is therefore essential for developing high-efficiency materials, particularly for white light illumination sources capable of achieving substantial global energy savings. In this context, this thesis focuses on the study of EPC in LDMHPs, primarily concerning their optoelectronic properties, such as low-temperature PL. The first family of LDMHPs studied was the 0D halide perovskites A2SnBr6 (A = Cs, Rb). For Cs2SnBr6, the analysis revealed a strong EPC, as evidenced by multiphonon scattering, leading to intense overtones up to the fourth order. Such strength of the EPC was confirmed by the Huang–Rhys factor S = 24.4 from the PL phenomenon arising from self-trapped excitons (STE) with the contribution of phonon modes related to the Sn–Br asymmetric stretching predominating in the electronic transition. Furthermore, for Rb2SnBr6, temperature-dependent PL measurements, complemented by other characterization techniques and theoretical calculations, revealed broadband emission with a significant Stokes shift attributed STE state. The Fröhlich mechanism, mediated by interactions between excitonic charge carriers and longitudinal optical (LO) phonons, primarily accounted for the emission broadening through phonon-assisted radiative recombination. The EPC strength was evaluated through the Huang–Rhys factor S = 34, confirming strong correlations between electronic and vibrational properties. The possible mechanism of STE formation was evaluated by the Fröhlich parameter α of 2.78 for electrons and 4.41 for holes, which pointed out a major contribution of the hole-polaron quasiparticle on exciton trapping. Finally, the last family of LDMHPs investigated consisted of low-dimensional lead bromide perovskites with chiral spacers based on α-methylbenzylamine (MBA). It was found that the use of a racemic mixture of this organic molecule yielded a reduction of dimensionality from the 2D (R-/S-MBA)2PbBr4, obtained when using the enantiomers R- and S-MBA of the spacer, to the 1D (Rac-MBA)3PbBr5·H2O phase, which exhibited a different PL behavior compared to the 2D phases and two regimes of EPC with Huang–Rhys factors of S = 67 above 110 K and S = 189 below this threshold that were further correlated with the degree of octahedra distortions of the inorganic framework upon lowering temperature. The results obtained through this thesis pave the way for developing new and improved devices and technologies towards optoelectronic applications.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/86087
ORCID do(s) Autor(es): https://orcid.org/0009-0009-9225-6014
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/6902228003711988
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0001-9055-387X
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/6743076324274892
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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