近日，深圳大學電子科學與技術學院專職研究員張豫鵬博士和深圳大學二維材料光電科技聯合實驗室張晗教授在物理學頂級刊物Physics Reports-Review Section of Physics Letters上撰寫並發表題為Photonics and Optoelectronics Using Nanostructured Hybrid Perovskite media and their Optical Cavities的長篇綜述。該綜述論文是自Physics Reports1971年創刊以來，以中國大陸科研機構為單位發表的第五十篇論文、光學領域的第六篇論文，也是廣東省內科研機構在材料與器件物理和光學領域發表的第一篇論文。
這篇厲害的論文介紹了什麼？
該綜述系統地介紹了金屬滷化物鈣鈦礦及其納米結構的光電特性（包括載流子遷移率、激子束縛能、陷阱態密度、螢光量子產率、載流子擴散距離、光學常數等），以及組分結構調控對其光電特性的影響；解析了等離激元和光學微腔中的基本物理參數；並進一步闡明了金屬滷化物鈣鈦礦納米結構與等離激元和光學微腔耦合過程中的光學效應，例如：等離激元耦合中的遠場散射、近場增強、能量轉移以及電荷轉移等效應；光學微腔耦合中由鈣鈦礦納米線、納米棒等構建的法布裡-珀羅腔(Fabry–Pérot cavities)、由鈣鈦礦納米片等構建的回音壁腔(Whispering-gallery-mode cavities)、以及光子晶體和布拉格反射腔體等。
在此基礎上，該文章全面綜述了近年來金屬滷化物鈣鈦礦納米結構與等離激元和光學微腔耦合在光電子器件如光探測器、太陽能電池、LED及顯示、納米雷射器、光波導與調製、非線性光學器件等領域的研究現狀與發展趨勢。
綜述的最後詳細構建了金屬滷化物鈣鈦礦納米結構的發展未來，包括：1.從電子到宏觀層面多尺度模擬以及通過材料基因工程，加速新型鈣鈦礦材料的篩選及高效確定。2. 在鈣鈦礦納米結構中構建介電常數為零或近零模式，實現光與物質相互作用調控的新方式。3. 實現鈣鈦礦納米結構和半導體等離激元/光學微腔的高效耦合。4. 實現鈣鈦礦納米結構在傳感器、量子計算等領域的突破。
傳統的光電子器件的弊端
隨著納米材料和微納加工技術的高速發展，光電子器件進一步向著微型化與集成化方向發展。但是由於衍射極限的限制，傳統的光電子器件難以實現其在納米層面和結構上的相關應用，尋找新型光電子器件材料成為迫切的需要。
在納米尺度上探索並調控光與物質相互作用對信息光電子器件的發展至關重要。這其中，等離激元和光學微腔耦合是兩種重要的調控手段。局域表面等離激元可以把電磁場的能量限域在一個很小的尺度，為研究和調控光與物質相互作用提供了良好的體系；而光學微腔則是一種利用光在介電常數不連續的材料界面反射、散射或者衍射，將光限制在微納米量級區域的光學諧振腔。
如何將鈣鈦礦納米結構與等離激元或光學微腔耦合，系統研究並調控其光與物質相互作用，對於構建新型光電子器件具有重要意義。
優秀的鈣鈦礦材的光明前景
近年來，金屬滷化物鈣鈦礦材料（ABX3, 其中，A位為單價有機或無機組元，B位為二價金屬離子，X位為滷族離子）因其優異的光電性能成為目前光電領域的明星材料，在太陽能電池、雷射器、光電探測器、場效應電晶體、發光二極體等諸多領域受到了廣泛關注。
相對於傳統半導體材料，金屬滷化物鈣鈦礦材料具有製備成本低、光吸收係數高、載流子擴散路徑長、螢光量子產率高、俄歇複合效率低等特點。更為重要的是，其光電特性可以通過組分的變換而進行精確調控。例如，A位離子尺寸的變化，可以使其晶體結構由三維離子晶體轉變為二維範德華層狀材料，進而實現其載流子遷移率、激子束縛能等特性的調控；X位滷素離子的變化，可以帶來豐富的帶隙變化、寬波段吸收以及覆蓋全部可見光區域的螢光發射。與此同時，鈣鈦礦納米結構尤其是二維Ruddlesden–Popper相鈣鈦礦材料，很容易對電荷行為產生量子限域效應並形成典型的量子阱結構，從而減小波爾半徑並使其激子束縛能提高，產生光-激子強耦合效應。
此外，鈣鈦礦納米結構具有彈性模量小的軟晶格特性，這使得其在光場作用下非常容易引入更多的聲子振動模式，並與電子自由度耦合，形成電子-聲子強耦合作用。因此，鈣鈦礦納米結構中的光與物質相互作用存在豐富的光子-聲子-電子等多場耦合機制。這為我們構建多功能、高性能光電子器件提供了非常好的材料基礎。簡而言之，鈣鈦礦材料的科研進步將極大地推動光電子器件的技術革新，具有劃時代的重大意義。
張豫鵬博士近年來在鈣鈦礦光電子器件研究方向發表的高水平論文如下：
1、
Ou, Q.; Zhang, Y. *(通訊作者); Wang, Z.; Yuwono, J. A.; Wang, R.; Dai, Z.; Li, W.; Zheng, C.; Xu, Z. Q.; Qi, X.; Duhm, S.; Medhekar, N. V.; Zhang, H. *; Bao, Q.* Strong depletion in hybrid perovskite p-n junctions induced by local electronic doping. Advanced Materials, 2018, 30, 1705792.
該論文通過對鈣鈦礦納米片層表面進行空間可控電子摻雜，實現了雜化鈣鈦礦PN結強電荷耗盡的特性。與基於弱範德華吸附的傳統二維材料表面摻雜不同，該電子摻雜在鈣鈦礦表面和MoO3摻雜劑之間產生強烈的化學鍵合與電子耦合作用，從而增強了鈣鈦礦面內PN結的內建電場。與此同時，鈣鈦礦內在的離子極化引起較大的介電常數，促進異常廣泛的電荷耗盡區形成，在熱力學平衡下即達到10微米。進一步的二維靜電學成像首次揭示了鈣鈦礦PN結耗盡層的寬度與PN結厚度的依賴關係，也為理解二維空間PN結的特性提供了借鑑意義。該論文被Advanced Materials選為正封面論文。
2、
Chen, K.; Zhong, Q.; Chen, W.; Sang, B.; Wang, Y.; Yang, T.; Liu, Y.*; Zhang, Y.*, Zhang, H*. Ligand-Passivated Stable α-CsPbI3 Quantum Dot for All-Inorganic Perovskite Solar Cells, Advanced Functional Materials,2019.
立方相CsPbI3 (α-CsPbI3)量子點具有合適的禁帶寬度（1.73 eV）和良好的光物理/化學穩定性，受到了廣泛的關注。然而，α-CsPbI3量子點表面配體（油酸/油胺，C18）容易脫落並導致發生相變，轉換為正交相（δ-CsPbI3），限制了其在太陽能電池領域的進一步應用。本文採用短鏈配體（辛酸/辛胺，C8）部分取代C18，結果顯示部分取代後的量子點（C8/C18-CsPbI3）表現出優異的穩定性（>180天），明顯優於C18-CsPbI3量子點（<60天）。結合理論計算發現，C8/C18-CsPbI3量子點優異的穩定性得益於C8配體與量子點表面更強的結合能，促使表面配體不易脫落，增強穩定性。將C8/C18-CsPbI3量子點應用於太陽能電池中，得到了11.87%的光電轉換效率，明顯高於C18-CsPbI3量子點太陽能電池的性能（7.76%）。
3、
Mao, W.#; Zheng, J.#; Zhang, Y.#; Chesman, A. S.; Ou, Q.; Hicks, J.; Li, F.; Wang, Z.; Graystone, B.; Bell, T. D. Controlled Growth of Monocrystalline OrganoLead Halide Perovskite and Its Application in Photonic Devices, Angewandte Chemie International Edition, 56 (2017) 12486-12491.
本文開發出中間相轉化法，實現大尺寸準二維單晶鈣鈦礦結構的精確合成。並且通過實驗參數調控，以及後續微區離子置換等，構建出系列高品質低維鈣鈦礦納米結構陣列，為後續大面積、陣列光電子器件的研發提供思路。在此基礎上，利用聚焦離子刻蝕技術，加工了一系列基於鈣鈦礦材料的高效有源光波導和調製器件。該論文被Angewandte Chemie選為正封面論文。
張豫鵬博士
張豫鵬，深圳大學電子科學與技術學院專職研究人員。近年來發表了60餘篇SCI文章，其中影響因子>10的文章23篇，同時還是30多篇高影響因子學術期刊論文的第一作者或通訊作者。相關論文發表在Nature、Physics Reports、Chemical Society Reivews、Science Advances、Nature Communication、Advanced Materials、 ACS Nano、Nano Letters、Advanced Functional Materials、Advanced Energy Materials、Angewandte Chemie-International Edition、 Light：Science & Applications等高影響力雜誌上。
論文總引用次數超過3,000次，H-因子為30，引用次數超過100次的論文有11篇，ESI高被引用論文7篇；12篇被選為雜誌封面論文亮點報導。
關於Physics Reports
Physics Reports是物理科學最具影響力的國際期刊之一，最新SCI影響因子為20.099。該刊每期只發表一篇論文，由雜誌編委邀約在各研究方向作出突出貢獻的專家學者撰稿，對相關研究領域的發展具有重要的引領和指導作用。
來源：深圳大學 編輯 | 林雨珊 責編 | 廖楷狄 張琳丹