壓力調控激子複合增強二維鈣鈦礦發光

2021-01-15 網易

2020-07-19 11:29:41　來源: 知社學術圈

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　　層狀二維滷化物鈣鈦礦具有量子限域特性、較三維體系更好的穩定性和更大的可調控性，使其在太陽能電池和發光二極體等領域都有著廣闊的應用前景。然而，其光電性能仍有待進一步提升，結構與物性的內在關係也尚未得到很好的認識。

　　北京高壓科學研究中心的呂旭傑研究員與楊文革研究員帶領的研究團隊最新發現，壓力可以有效抑制激子缺陷俘獲從而顯著提升二維鈣鈦礦材料的發光性能。相關成果以「Pressure‐Suppressed Carrier Trapping Leads to Enhanced Emission in Two‐Dimensional Perovskite (HA)2(GA)Pb2I7」為題近期發表於《德國應用化學》Angewandte Chemie International Edition上，北京高壓科學研究中心的博士生郭嵩蒿為該論文第一作者。

　　壓強是一個熱力學參量，高壓提供了一個有效調控物質的新維度，可以在不改變材料化學成分的前提下對其結構、電子特性和物理性質進行有效地調節，在發現新現象、闡釋新機制等方面發揮著其他手段難以實現的重要作用。

　　

　　圖1：不同壓力下的螢光強度和激子缺陷態在螢光峰中的貢獻。

　　該團隊選擇了一種新型二維鈣鈦礦材料(HA)2(GA)Pb2I7作為研究對象，其獨特的晶格結構為深入理解二維滷化物鈣鈦礦材料的結構-物性關係提供了非常好的載體。「該體系較大的GA（C(NH2)3+）分子會在無機Pb-I八面體框架中引入極大的扭曲與畸變，這將導致強的激子-聲子相互作用，而通過高壓手段可以有效且連續地調節這種相互作用，從而為理解晶體結構和激子態之間的關係提供了新的途徑」，呂旭傑研究員說到。該團隊利用高壓同步輻射X射線衍射(XRD)、拉曼、吸收、螢光等原位測試技術，對其激子產生、缺陷俘獲和複合的行為與發光效率之間的關係進行了系統而深入的研究。

　　

　　圖2：(a)卸壓至1.5 GPa時螢光強度隨雷射照射時間的變化，(b)樣品表面雷射雕刻的「HP」字樣的光學和螢光照片，(c)加壓前後螢光光譜的擬合結果，紅色區域和白色區域分別是來自自由激子和激子缺陷態的貢獻，(d)卸壓過程中不同相之間能量差異和光物理過程的示意圖。

　　實驗發現，隨著壓力的升高，其激子缺陷顯著減少，當壓力達到1.6 GPa時，激子缺陷態完全消失，螢光強度獲得了12倍的增幅。原位結構表徵揭示了壓力改變對晶格畸變的調控效果，晶格收縮使聲子硬化，從而降低了激子-聲子相互作用，抑制了激子缺陷的產生，大幅減小非輻射複合途徑，從而提升其發光效率。此外，該研究還首次報導了在卸壓過程中一個不可逆的奇特相變過程，並發現了一個新的黃色非晶相。該黃色非晶相的帶隙會在卸壓過程中不斷增大。有趣的是，當壓力降低到1.5 GPa時，不發光的黃色非晶相會在雷射照射下逐漸轉變為發光的橙色相，該團隊利用這一現象在金剛石對頂砧壓腔內的樣品上雷射雕刻了「HP」字樣。當壓力完全釋放後，黃色非晶相會自發地轉變為橙色相，其發光效率較壓力處理前的樣品提升了100%，進一步的結構表徵與光譜分析結果顯示，該相具有更高的晶體學對稱性和更少的激子缺陷態。

　　他們的研究表明，壓力研究不僅可以加深對滷化物鈣鈦礦中結構與物性關係的了解，而且為探索具有優異性能的新材料提供了新途徑。

　　

　　https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202001635

　　作者簡介：

　　呂旭傑，北京高壓科學研究中心研究員，博士生導師。主要從事高壓功能材料及其多維度調控研究。重點關注光電材料，包括金屬滷化物材料，過渡金屬氧化物和過渡金屬硫族化合物等。近年來發表了包括Nature，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.等在內的SCI論文70多篇，總引用超過4400次，H因子為36。

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