Homogeneous All-Inorganic Perovskite Films via High-Pressure Recrystallization

光と電子の世界を、光子（光の粒子）と電子（電気の粒子）という市民が賑やかに暮らす都市だと想像してみてください。より優れた太陽電池や、より明るいスクリーン、あるいはより高速なレーザーを作るために、科学者たちはこれらの粒子が移動するための完璧な「高速道路」を建設する必要があります。これらの高速道路は、ペロブスカイトと呼ばれる特別な材料で作られています。ペロブスカイトを、日光を捉えて電気に変えたり、電気を鮮やかな光に変えたりすることができる、魔法のようなレゴブロックのような結晶だと考えてください。しかし、これらの高速道路を作ることは非常に困難です。科学者が溶液（壁にペンキを塗るような方法）を使ってこれらを作ろうとすると、結晶が乱雑に成長してしまい、隙間や凹凸、そして異なる種類のブロックが混ざり合ってしまうことがよくあります。これは、まるでゴツゴツした岩の山から滑らかなレーストラックを作ろうとしているようなものであり、車（光と電気）は衝突したり、立ち往生したり、速度を落としたりして、システム全体を非効率にしてしまいます。大きな疑問は、科学者が自問していることです。「どのようにすれば、この液状で作られた乱雑な結晶を、溶かしたり変な化学物質を加えたりすることなく、完璧に滑らかで超強力な高速道路に変えることができるのか？」ということです。

この論文は、この問題に対する巧妙な解決策の物語を伝えています。研究者たちは、CsPbBr3と呼ばれる特定のタイプのペロブスカイトの標準的な乱雑な薄膜を取り、それに高圧の「スパ・トリートメント」を施しました。単に加熱するのではなく、彼らは最大300バール（これは、薄膜の1平方インチあたりに小型車の重さが押し付けられているような力です）の力で、平らな金型と表面の間で薄膜を押しつぶしました。その結果、変容が起こりました。乱雑で凹凸があり、穴の空いていた薄膜が、滑らかで鏡のようなシートへと押し固められたのです。これらの新しい薄膜は、以前のものよりもはるかに簡単に光を増幅できるほど完璧であり、超効率的なレーザー材料として機能しました。この研究は、この「押しつぶす」という単純な方法が、将来のガジェットのための高品質な結晶を作る信頼できる方法であることを示しており、時には、状況を改善する最善の方法は、少しの圧力をかけることであると証明しています。

乱雑なビフォー：ゴツゴツした岩の山

魔法が起こる前、科学者たちは液体を表面に回転させて作る標準的な薄膜を観察しました。これらの薄膜は決して完璧ではありませんでした。顕微鏡で見ると、それらはランダムに散らばった小さな島の風景のようで、その間には深い亀裂や穴（ピンホール）がありました。表面は非常に凹凸があり、約25〜36ナノメートルの粗さがありました（もし薄膜がサッカー場の大きさであれば、それは山脈のように見えるでしょう）。これらの隙間や凹凸のせいで、薄膜を通過しようとする光は、壊れたガラスの山に懐中電灯の光が当たった時のように、あらゆるところに散乱してしまいます。さらに、内部の結晶はすべて同じ種類ではなく、正しい形状のものもあれば、他のものが混ざっているものもあり、エネルギーを浪費する混沌とした環境を作り出していました。

圧力の釜：粗さを滑らかにする

これを修正するために、研究者たちは巨大で精密なプレス機として機能する機械を使用しました。彼らは凹凸のある薄膜を取り、温度150℃、圧力300バールの条件下でプレスしました。その効果は即座に、かつ劇的でした。「島」のような結晶は、強制的に融合し、平坦化されました。穴は消え、表面は穏やかな湖のように滑らかになり、粗さは1ナノメートル未満に減少しました。まるで、圧力が結晶の鋭い角を、全体を溶かすことなく、結晶を完璧に緻密な配置へと滑り込ませるのに十分な程度にだけ溶かしたかのようでした。

また、科学者たちは、「結晶のスープ」（前駆体濃度）をどのように変えるかによって、薄膜の厚さを制御できることも発見しました。押しつぶされた後でも、薄膜は調整可能な状態を維持していました。0.23 Mの濃度から始めると厚さ約61ナノメートルの膜になり、0.40 Mの濃度では約115ナノメートルの厚さの膜になりました。圧力は単に滑らかにしただけでなく、より緻密にし、場合によっては元の薄膜の厚さをほぼ半分に縮小させました。

鏡の効果：高速道路上の光

最もエキサイティングな部分は、これらの新しい滑らかな薄膜に光を当てた時に起こりました。表面が非常に平坦で結晶がよく整理されていたため、光は散乱しませんでした。代わりに、光は滑らかな曲線を描くボウルの中を転がるビー玉のように、薄膜の中で反射しながら閉じ込められました。これは「導波（ウェーブガイディング）」と呼ばれます。科学者が薄膜に十分なエネルギーを注入すると、特別なことが起こりました。光が自らを増幅し始めたのです。これは「増幅自然放出（ASE）」と呼ばれ、レーザーの基本原理です。

その差は歴然でした。古い凹凸のある薄膜は、光を増幅させるために多くのエネルギーを必要とし、すぐに疲れて動作を停止してしまいました。しかし、プレスされた新しい薄膜は、非常に少ないエネルギー（わずか2〜3.9マイクロジュール毎平方ミリメートル）で光を増幅し始めました。これは、古い薄膜よりも7倍以上も容易なことです！さらに、これらの新しい薄膜は、はるかに多くのエネルギーに耐えることができ、光が強烈であっても明るさと安定性を保ち続けました。それは、小さな波に沈んでしまう脆弱な紙の舟と、嵐の中でも乗り切ることができる頑丈な鋼鉄の船を比較するようなものです。

形を変える結晶

研究者たちはまた、これらの結晶が熱に対してどのように振る舞うかについても調べました。彼らは薄膜を加熱し、X線を用いて形状の変化を観察しました。彼らは、温度が上がるにつれて、結晶が長方形（斜方晶系）から正方形（単斜晶系/正方晶系）へ、そして最終的に立方体（立方晶系）へと変化する様子を見ました。これは通常、乱雑な薄膜ではなく、完璧な単結晶にのみ見られる現象です。プレスされた薄膜においてこれを確認できたことは、結晶が、単なる小さな乱雑な塊の集まりではなく、一つの巨大な結晶のように振る舞うほど高品質になったことを証明しています。薄膜を再び冷却したとき、結晶は元の形状に戻り、このプロセスが可逆的で安定していることを示しました。

なぜこれが重要なのか

この論文は単に美しい絵を見せているのではありません。それは実用的なレシピを提供しています。高圧を用いることで、科学者たちは毒性のある化学物質や複雑な工程を必要とせずに、これらの特別な結晶を作る方法を見つけました。彼らは、標準的な乱雑な薄膜を取り、それをプレスするだけで高性能な材料に変えられることを証明しました。これは、より優れた太陽電池、より明るい照明、そしてより効率的なレーザーを、より簡単かつ安価に構築できる道を開きます。この研究は、もし私たちがこれらの材料を特定の形状にプレスすることができれば（例えば、平らな金型ではなくクッキーの型を使うように）、素材の純度と強度を保ったまま、将来のコンピュータやセンサーのための、小さくカスタムメイドされた光学デバイスさえも作成できる可能性があることを示唆しています。