近日，大連化物所催化基礎國家重點實驗室李燦院士、李仁貴研究員等在鈣鈦礦材料的結構調(diào)變與光電性質(zhì)的研究方面取得新進展，發(fā)現(xiàn)全無機非鉛鹵化物鈣鈦礦結構內(nèi)部八面體畸變的消除明顯降低了電子-空穴對局域化，極大地增強了光生電荷的分離與傳輸，表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性質(zhì)。
金屬鹵化物鈣鈦礦由于其優(yōu)異的光電性質(zhì)（如光吸收系數(shù)高、激子結合能低、載流子遷移率高和擴散長度長等）而受到研究者的廣泛關注，目前已被應用于各光電領域。然而，為什么具有鈣鈦礦類結構的材料表現(xiàn)出如此優(yōu)異的光電性質(zhì)，以及其獨特的結構如何影響光生電荷的分離與傳輸?shù)汝P鍵問題目前仍不清楚，這也限制了進一步發(fā)展高效的鈣鈦礦光電材料體系。
無鉛鈣鈦礦材料的結構調(diào)變與光電性質(zhì)
本工作中，該研究團隊選用Cs3Bi2Br9這一類典型的無機鹵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(fā)現(xiàn)Cs3Bi2Br9中BiBr6八面體結構畸變使得激發(fā)的電子-空穴對強局域在Bi中心，由此產(chǎn)生了極大的激子結合能，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占據(jù)了原來的空位，消除了八面體的結構畸變，大大降低了電子-空穴對的強局域化，使得導帶和價帶中的電子分布更加分散。因此，相比于Cs3Bi2Br9，Cs2AgBiBr6的激子結合能更小，載流子有效質(zhì)量更低，載流子遷移率更高，有效壽命更長，極大地提升了光生電荷的分離和傳輸性質(zhì)。該研究團隊進一步以可見光下光催化產(chǎn)氫反應作為探針反應，發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦微觀結構的調(diào)變使得光催化產(chǎn)氫活性提高了兩個數(shù)量級以上，進一步驗證了鈣鈦礦結構調(diào)變對其光生電荷分離和傳輸性質(zhì)的重要影響。該研究工作對于深入理解鈣鈦礦半導體微觀結構與其光電特性的本質(zhì)關聯(lián)、理性設計和指導新型鈣鈦礦材料體系應用于光電領域具有重要意義。
相關研究成果發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials）上，論文第一作者是博士生石明。該研究工作得到國家自然科學基金項目、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項A類“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”和興遼英才計劃項目等的支持。
