大連化物所揭示無鉛鈣鈦礦材料的結構調變與光電性質本質關係

2020-07-08 光明網

近日，中國科學院院士、中科院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室研究員李燦，研究員李仁貴等在鈣鈦礦材料的結構調變與光電性質的研究方面取得新進展，發現全無機非鉛滷化物鈣鈦礦結構內部八面體畸變的消除明顯降低了電子-空穴對局域化，增強了光生電荷的分離與傳輸，表現出優異的光電性質。

金屬滷化物鈣鈦礦由於其優異的光電性質（如光吸收係數高、激子結合能低、載流子遷移率高和擴散長度長等）而受到廣泛關注，目前已被應用於各光電領域。然而，為什麼具有鈣鈦礦類結構的材料表現出如此優異的光電性質，以及其獨特的結構如何影響光生電荷的分離與傳輸等關鍵問題仍不清楚，這限制了進一步發展高效的鈣鈦礦光電材料體系。

研究團隊選用Cs3Bi2Br9這一類典型的無機滷化物鈣鈦礦半導體為研究對象，通過理論計算與實驗相結合，發現Cs3Bi2Br9中BiBr6八面體結構畸變使激發的電子-空穴對強局域在Bi中心，由此產生了激子結合能，阻礙了光生電荷的分離與傳輸。進一步通過向其結構中引入Ag原子替代部分Bi原子，形成雙鈣鈦礦Cs2AgBiBr6，Ag佔據了原來的空位，消除了八面體的結構畸變，降低了電子-空穴對的強局域化，使導帶和價帶中的電子分布更加分散。因此，相比於Cs3Bi2Br9，Cs2AgBiBr6的激子結合能更小，載流子有效質量更低，載流子遷移率更高，有效壽命更長，提升了光生電荷的分離和傳輸性質。該研究團隊進一步以可見光下光催化產氫反應作為探針反應，發現鈣鈦礦微觀結構的調變使光催化產氫活性提高了兩個數量級以上，進一步驗證了鈣鈦礦結構調變對其光生電荷分離和傳輸性質的重要影響。該研究工作對於深入理解鈣鈦礦半導體微觀結構與其光電特性的本質關聯、理性設計和指導新型鈣鈦礦材料體系應用於光電領域具有重要意義。

相關研究成果發表在《先進材料》（Advanced Materials）上，論文第一作者是博士生石明。研究工作得到國家自然科學基金項目、中科院戰略性先導科技專項（A類）「變革性潔淨能源關鍵技術與示範」和興遼英才計劃項目等的支持。

無鉛鈣鈦礦材料的結構調變與光電性質

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