Synthesis and Characterization of Inorganic Perovskites for Nanophotonics

In this PhD thesis several aspects of the physics of halide inorganic perovskites are addressed. In particular I will focus on: • Intrinsic properties of the material such as the structural and dynamical disorder by a deep study of the photoluminescence in a large set of CsPbBr3 samples differing for morphology and synthesis protocol. Being the disorder affecting the spectral line shape of the photoluminescence, and playing a major role in the carrier transport properties at the band edge, the investigation here presented is of interest for the large set of optoelectronic applications of halide perovskites. The results obtained during the PhD activity contribute to clarify the main characteristics of disorder in this class of semiconductors. • The interaction between CsPbBr3 microcrystals and the substrate/metasurface where they are deposited. In fact, the integration of halide perovskites in metasurfaces and photonic structures is a research at the early stage and deep investigation is required before the implementation of innovative photonic devices. In particular I will present a set of experimental results concerning non-linear effects (superlinear and sublinear behavior) in the radiative emission of CsPbBr3 films deposited by spin-coating on a particular type of metasurface realized by core-shell microresonators (T-Rex) assembled in an esagonal pattern on a silicon substrate. The experimental results evidence the presence of Amplified Spontaneous Emission (ASE) which, depending on the sample structure, does or does not show up with a superlinear increase of the emission. In particular we distinguish between two processes: light amplification by randomly arranged emitters and amplification by a quite ordered distribution of nanocrystals around a resonator. • CsPbBr3 has optimal characteristics as adsorber and catalyst in the processes of absorption of pollutants from industrial waste water. In the final part of my work I will show preliminary results concerning the fast adsorption of Methylene Blue (MB), a substance typically used in the textile industry, dissolved in aqueous solution when CsPbBr3 nanopowders (NPs) are encapsulated inside chitosan bubbles (CH-BB). A significant increase of the adsorption percentage of MB is obtained in presence of the perovskite nanopowders respect to the use of empty chitosan bubbles.

In questa tesi di dottorato vengono affrontati diversi aspetti riguardanti la fisica delle perovskiti inorganiche alogenate. In particolare mi focalizzerò su: • Proprietà intrinseche del materiale come il disordine strutturale e dinamico, approfondito da uno studio della fotoluminescenza in un grande insieme di campioni CsPbBr3 che si differenziano per morfologia e protocollo di sintesi. Siccome il disordine pregiudica la forma spettrale della linea della fotoluminescenza e gioca un ruolo importante nelle proprietà di trasporto del supporto al bordo della banda, l’indagine presentata in questa tesi è di interesse per l’ampio insieme delle applicazioni optoelettroniche delle perovskiti alogenate. I risultati ottenuti durante l’attività di dottorato contribuiscono a chiarire le principali caratteristiche del disordine in questa classe di semiconduttori. • L’interazione tra i microcristalli di CsPbBr3 e il substrato/metasuperficie su cui sono depositati. Infatti, l’integrazione di perovskiti alogenate su metasuperfici e strutture fotoniche è una ricerca in fase iniziale e un’indagine approfondita è necessaria prima dell’implementazione di dispositivi fotonici innovativi. In particolare presenterò una serie di risultati sperimentali riguardanti effetti non lineari (comportamento superlineare e sublineare) nell’emissione radiativa di film CsPbBr3 depositati da spin-coating su un particolare tipo di metasuperficie realizzata da microrisonatori core-shell (T-Rex) assemblati in pattern esagonali su un substrato di silicio. I risultati sperimentali evidenziano la presenza di Amplified Spontaneous Emission (ASE) che, a seconda della struttura del campione, si presenta e non si presenta con un aumento superlineare dell’emissione. In particolare si distinguono due processi: l’amplificazione della luce da emettitori disposti in modo casuale e l’amplificazione da una distribuzione abbastanza ordinata di nanocristalli intorno a un risonatore. • CsPbBr3 ha caratteristiche ottimali come adsorbitore e catalizzatore nei pro- cessi di assorbimento degli inquinanti dalle acque reflue industriali. Nella parte finale del mio lavoro mostrerò i risultati preliminari riguardanti il rapido assorbimento del Blu di Metilene (MB), una sostanza tipicamente utilizzata nell’industria tessile, disciolta in soluzione acquosa quando le nanopolveri di CsPbBr3 (NPs) sono incapsulate all’interno di sferette di chitosano (CH-BB). Un aumento significativo della percentuale di adsorbimento di MB si ottiene in presenza delle nanopolveri di perovskite rispetto all’uso delle sferette di chitosano vuote.