二維鈣鈦礦中的激子會自發(fā)地快速解離形成更適用于光伏發(fā)電的自由載流子，如同懷抱著不同電荷的蜜蜂在花叢中相聚到分離的過程
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、研究員田文明=等在（準）二維鈣鈦礦激子解離動力學(xué)研究中取得新進展。該團隊通過超快時間分辨光譜學(xué)技術(shù)首次直接觀測到二維鈣鈦礦中快速的動態(tài)激子解離過程，并由此提出論證了由極化子屏蔽效應(yīng)誘導(dǎo)的激子解離新機制。
受到光照，半導(dǎo)體會產(chǎn)生載流子——電子和空穴，兩者因帶有相反的電荷在靜電吸引力作用下被“捆綁”在一起，形成激子。與自由的電子和空穴相比，激子具有更高的發(fā)光效率因而在發(fā)光和顯示器件領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值；但在太陽能電池等光伏應(yīng)用中，大量存在的激子不利于正負電荷的分離提取，使太陽能電池效率大幅降低。因此，研究半導(dǎo)體中激子與自由載流子之間相互轉(zhuǎn)化的動態(tài)過程，對材料和器件的合理應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。
作為一類天然的量子阱材料、優(yōu)質(zhì)的半導(dǎo)體介質(zhì)，二維鈣鈦礦穩(wěn)態(tài)激子結(jié)合能相比傳統(tǒng)的三維鈣鈦礦大幅提高，達到數(shù)百毫電子伏特，使激子難以在室溫下解離。此前傳統(tǒng)觀點認為，二維鈣鈦礦中光生載流子主要以激子的形式存在，在室溫下難以解離形成自由載流子，從而推測二維鈣鈦礦不適用于太陽能電池等光伏器件。然而，近期的一些研究卻發(fā)現(xiàn)與之相背的結(jié)果。研究團隊推測，此前的研究可能因為忽略了光生電荷與晶格之間的相互作用，從而使人們高估了二維鈣鈦礦的激子結(jié)合能。
本工作中，該團隊通過飛秒超快光譜學(xué)技術(shù)等，首次在室溫下直接觀測到二維鈣鈦礦中快速的動態(tài)激子解離過程，證明二維鈣鈦礦中載流子在平衡狀態(tài)下主要以自由載流子的形式存在。這與此前報道的通過穩(wěn)態(tài)吸收光譜等技術(shù)得出的較高激子結(jié)合能存在較大差異。為了解釋這一反常的物理現(xiàn)象，該團隊進一步通過低溫光譜學(xué)等，提出由激子—極化子形成而誘導(dǎo)的激子解離機理，即激子通過與聲子之間強的耦合作用形成激子—極化子，由于極化子的屏蔽作用大幅削弱電子—空穴間的庫倫作用力，使激發(fā)態(tài)激子結(jié)合能顯著降低，從而促進激子的快速解離。此外，團隊還證明了激子解離以及后續(xù)的自由載流子非輻射復(fù)合過程是限制二維鈣鈦礦熒光量子效率的主要因素。該發(fā)現(xiàn)揭示了二維鈣鈦礦材料中可能普遍存在的極化激子解離特性，為二維鈣鈦礦材料在光伏和光電探測等器件中的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。
在二維鈣鈦礦載流子動力學(xué)研究中，該團隊曾直接觀測到二維鈣鈦礦薄膜中的載流子定向分離與輸運（J. Am. Chem. Soc.，2017）；在二維鈣鈦礦單晶中揭示了層內(nèi)缺陷輔助的長距離載流子輸運新機制（J. Am. Chem. Soc.，2020）；發(fā)現(xiàn)了俄歇輔助的層間電子轉(zhuǎn)移新機理（J. Am. Chem. Soc.，2021）。
相關(guān)研究成果以“Ultrafast and High-Yield Polaronic Exciton Dissociation in Two-Dimensional Perovskites”為題，發(fā)表在《美國化學(xué)會志》（Journal of the American Chemical Society）上。該工作的第一作者是大連化物所孫祺博士和趙春一博士。上述工作得到了國家重點研發(fā)計劃“納米科技”重點專項、國家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進會等項目的支持。
