近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所超快時(shí)間分辨光譜與動(dòng)力學(xué)研究組研究員金盛燁團(tuán)隊(duì)在二維鈣鈦礦層間電子傳輸動(dòng)力學(xué)研究方面取得新進(jìn)展，提出并論證了二維層狀鈣鈦礦中俄歇輔助的電子跨有機(jī)層傳輸?shù)男聶C(jī)制。
二維（2D）鈣鈦礦是由無機(jī)層—有機(jī)層交替排列形成的多量子阱（QW）材料，由于其帶隙可調(diào)節(jié)，環(huán)境穩(wěn)定性好、制備簡(jiǎn)單、光電性能出色，在許多光電應(yīng)用中展現(xiàn)出較大潛力。然而，由于2D鈣鈦礦中不同無機(jī)層QW之間的有機(jī)層（絕緣配體）會(huì)引入一個(gè)較高的能壘，使得光生激子完全被限制在鈣鈦礦QW平面內(nèi)，從而難以實(shí)現(xiàn)載流子的跨層（一個(gè)QW到另一個(gè)QW）遷移，這極大地限制了2D鈣鈦礦在光電領(lǐng)域的更廣泛的應(yīng)用。
大連化物所揭示二維層狀鈣鈦礦中俄歇輔助的層間電子轉(zhuǎn)移新機(jī)制
在本工作中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)激子帶邊能量（Eg）與電子能壘（Eb）相近時(shí)，理論上電子可通過俄歇過程來獲得足夠的能量以越過有機(jī)層的能壘，從而實(shí)現(xiàn)不同鈣鈦礦層之間的傳輸。為此，該研究團(tuán)隊(duì)利用瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)，并對(duì)所合成的一系列具有不同有機(jī)配體的2D鈣鈦礦單晶（CmH2m+1NH3)2PbI4（m=8，10，12，18）進(jìn)行了光誘導(dǎo)載流子動(dòng)力學(xué)研究。研究發(fā)現(xiàn)，在m≥12的2D鈣鈦礦單晶（Eg≈Eb）中，當(dāng)激發(fā)強(qiáng)度超過某個(gè)值（即出現(xiàn)俄歇復(fù)合過程）時(shí)，可在其瞬態(tài)吸收光譜及載流子動(dòng)力學(xué)上觀察到一個(gè)清晰的長(zhǎng)壽命的電荷分離態(tài)信號(hào)，而在m≤10的2D鈣鈦礦單晶（Eg<Eb）中并未觀察到。該工作首次提出并從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了2D鈣鈦礦單晶中俄歇輔助的電子跨層傳輸機(jī)制，拓展了對(duì)2D鈣鈦礦材料中載流子跨層傳輸?shù)恼J(rèn)識(shí)，對(duì)未來2D鈣鈦礦材料的設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。
在2D鈣鈦礦的載流子動(dòng)力學(xué)研究工作中，該團(tuán)隊(duì)此前曾在2D層狀鈣鈦礦薄膜內(nèi)部觀測(cè)到光誘導(dǎo)的電子和空穴在垂直基底方向上發(fā)生的自發(fā)性電荷分離現(xiàn)象（J. Am. Chem. Soc., 2017）；實(shí)現(xiàn)了2D層狀鈣鈦礦中的邊界態(tài)調(diào)控（J. Phys. Chem. Lett., 2019）；發(fā)現(xiàn)并提出了通過缺陷態(tài)誘導(dǎo)的激子解離來實(shí)現(xiàn)二維鈣鈦礦平面內(nèi)長(zhǎng)距離的載流子傳輸新機(jī)制（J. Am. Chem. Soc.，2020）。
相關(guān)研究成果于近期以題為“Auger-Assisted Electron Transfer between Adjacent Quantum Wells in Two-Dimensional Layered Perovskites”發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（J. Am. Chem. Soc.）上。該工作的第一作者是大連化物所超快時(shí)間分辨光譜與動(dòng)力學(xué)研究組2017級(jí)博士生尹子夕。上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米科技”重點(diǎn)專項(xiàng)、青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B）“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”等項(xiàng)目的支持。
