近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所超快時間分辨光譜與動力學(xué)研究組研究員金盛燁團隊在二維鈣鈦礦量子阱材料中載流子動力學(xué)研究工作中取得新進展，發(fā)現(xiàn)突破激子遷移極限的長距離載流子輸運現(xiàn)象。
二維（2D）有機無機雜化鈣鈦礦半導(dǎo)體量子阱材料是在三維（3D）鈣鈦礦晶格中插入長鏈有機鹵化胺配體形成的。由于2D鈣鈦礦具有獨特的性質(zhì)，如柔性結(jié)構(gòu)，大的激子結(jié)合能，易調(diào)諧帶隙，以及顯著提高的耐濕性，使得其在光電和量子器件應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。以往研究普遍認為2D鈣鈦礦中載流子以激子形式存在，受到激子壽命和遷移率的限制，其激子遷移距離只有數(shù)百納米，比3D鈣鈦礦材料小一個量級以上?；谖墨I中報道的載流子輸運特性，在依賴于載流子長距離輸運器件應(yīng)用方面，2D鈣鈦礦可能無法與3D鈣鈦礦和其他傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子阱材料相媲美。
大連化物所揭示二維鈣鈦礦量子阱材料中載流子輸運新機制
在光電轉(zhuǎn)化材料載流子動力學(xué)研究工作中，該團隊在建立動力學(xué)測量新方法，解析動力學(xué)機理及載流子行為調(diào)控等方面取得了一系列研究進展。包括首次建立動力學(xué)可視化新方法（J. Am. Chem. Soc. , 2015）；應(yīng)用此方法實現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池中多晶膜晶粒中的微觀動力學(xué)成像研究，提出了新的多晶薄膜載流子構(gòu)效關(guān)系（Angew. Chem. Int. Ed., 2016），指出了限制雙鈣鈦礦太陽能電池效率提高的影響因素（J. Phys. Chem. Lett., 2020）；實現(xiàn)了載流子的長距離定向輸運調(diào)控（J. Am. Chem. Soc., 2017），2D鈣鈦礦中邊界態(tài)調(diào)控（J. Phys. Chem. Lett., 2019）和Mn摻雜鈣鈦礦微晶發(fā)光顏色調(diào)控（J. Am. Chem. Soc., 2019）。
在本項工作中，該團隊?wèi)?yīng)用建立的動力學(xué)可視化新方法首次觀測到2D鈣鈦礦單晶PEA2MAn-1PbnI3n+1（n=2~4）中突破激子遷移極限的長距離載流子輸運現(xiàn)象，其遷移距離可達2~5 m。科研人員采用共聚焦定點激發(fā)2D鈣鈦礦單晶，通過熒光掃描動力學(xué)成像觀測到距離激發(fā)點一定距離的低能態(tài)“邊界態(tài)”發(fā)光，邊界態(tài)發(fā)光動力學(xué)具有明顯的距離依賴性。結(jié)合溫度等實驗，他們提出了缺陷態(tài)輔助的長距離載流子輸運新機理，認為這種長距離載流子輸運是通過缺陷輔助的激子解離形成長壽命和不發(fā)光的電子空穴分離態(tài)實現(xiàn)的。進一步通過動力學(xué)模型擬合，他們獲得了不同層數(shù)（n值）2D鈣鈦礦單晶中的載流子遷移動力學(xué)參數(shù)。這種獨特的性質(zhì)使2D鈣鈦礦在載流子傳輸性能方面可與3D鈣鈦礦和其他傳統(tǒng)半導(dǎo)體相媲美，研究結(jié)果打破了人們對二維材料中載流子傳輸距離短的認知，使得其在高效能量/電荷輸運領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國化學(xué)會志》（J. Am. Chem. Soc.）上。上述工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃“納米科技”重點專項、青年創(chuàng)新促進會和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B）“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”等項目的支持。
