THz pump-probe spectroscopy of 2D perovskites

Two-dimensional (2D) metal–halide perovskites are promising materials thanks to their versatility across optoelectronics, photovoltaics, light-emitting devices, and sensing ap- plications. In the n = 1 Ruddlesden–Popper family, the layered quantum-well structure leads to strong quantum and dielectric confinement, which is expected to favor tightly bound excitons; at the same time, experimental evidence reported in the literature sug- gests that photoexcited states can also display a measurable conductive response, pointing to an interplay between electronic excitations and low-energy lattice dynamics in these relatively soft layered crystals. In this thesis, ultrafast THz spectroscopy is employed as a contact-free tool to investigate low-energy excitations and ultrafast photoinduced dynamics in two n = 1 layered lead– iodide perovskites, BA2PbI4 (BAPI) and PEA2PbI4 (PEPI), characterized by different organic spacer cations. Static THz time-domain spectroscopy is used to retrieve the complex optical response in the THz range, while pump-probe THz spectroscopy tracks the photoinduced complex photoconductivity. TRTS measurements show a rapid photoinduced change in the THz response, followed by a relaxation on the picosecond timescale; the temporal evolution and spectral shape of the photoinduced signal could indicate a transport regime where carrier–phonon coupling plays an important role, consistent with polaron-related effects. Overall, this work provides a starting point and an experimental baseline for future stud- ies of the interplay between charge transport and lattice dynamics in n = 1 2D perovskites.

Le perovskiti ad alogenuro metallici bidimensionali (2D) sono materiali promettenti grazie alla loro versatilità in optoelettronica, fotovoltaico, dispositivi emissivi e applicazioni di sensing. Nel caso della famiglia Ruddlesden–Popper con n = 1, la struttura stratificata a quantum-well porta a un forte confinamento quantistico e dielettrico, che ci si aspetta favorisca la formazione di eccitoni fortemente legati; allo stesso tempo, evidenze sperimen- tali riportate in letteratura suggeriscono che gli stati fotoeccitati possano anche mostrare una risposta conduttiva misurabile, indicando un’interazione tra eccitazioni elettroniche e dinamica reticolare a bassa energia in questi cristalli stratificati relativamente soffici. In questa tesi, la spettroscopia ultraveloce THz viene impiegata come strumento contact- free per investigare eccitazioni a bassa energia e dinamiche fotoindotte ultraveloci in due perovskiti stratificati piombo–ioduro con n = 1, BA2PbI4 (BAPI) e PEA2PbI4 (PEPI), caratterizzati da differenti cationi distanziatori organici. La spettroscopia THz nel dominio del tempo in condizioni statiche viene utilizzata per ri- cavare la risposta ottica complessa nella banda THz, mentre la spettroscopia THz pump– probe permette di seguire la fotoconduttività complessa fotoindotta. Le misure TRTS mostrano una rapida variazione fotoindotta della risposta THz, seguita da un rilassa- mento su scala temporale dei picosecondi; l’evoluzione temporale e la forma spettrale del segnale fotoindotto potrebbero indicare un regime di trasporto in cui l’accoppiamento portatore–fonone gioca un ruolo importante, in accordo con possibili contributi di natura polaronica. Nel complesso, questo lavoro si propone come punto di partenza e baseline sperimentale per futuri studi sull’interazione tra trasporto di carica e dinamica reticolare in perovskiti 2D con n = 1.