近日，中國科學院大連化學物理研究所超快時間分辨光譜與動力學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研究工作中取得新進展，發現突破激子遷移極限的長距離載流子輸運現象。
二維（2D）有機無機雜化鈣鈦礦半導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，如柔性結構，大的激子結合能，易調諧帶隙，以及顯著提高的耐濕性，使得其在光電和量子器件應用領域得到廣泛關注。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用方面，2D鈣鈦礦可能無法與3D鈣鈦礦和其他傳統半導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
在光電轉化材料載流子動力學研究工作中，該團隊在建立動力學測量新方法，解析動力學機理及載流子行為調控等方面取得了一系列研究進展。包括首次建立動力學可視化新方法（J. Am. Chem. Soc. , 2015）；應用此方法實現了鈣鈦礦太陽能電池中多晶膜晶粒中的微觀動力學成像研究，提出了新的多晶薄膜載流子構效關系（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）；實現了載流子的長距離定向輸運調控（J. Am. Chem. Soc., 2017），2D鈣鈦礦中邊界態調控（J. Phys. Chem. Lett., 2019）和Mn摻雜鈣鈦礦微晶發光顏色調控（J. Am. Chem. Soc., 2019）。
在本項工作中，該團隊應用建立的動力學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象，其遷移距離可達2~5 m?？蒲腥藛T采用共聚焦定點激發2D鈣鈦礦單晶，通過熒光掃描動力學成像觀測到距離激發點一定距離的低能態“邊界態”發光，邊界態發光動力學具有明顯的距離依賴性。結合溫度等實驗，他們提出了缺陷態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光的電子空穴分離態實現的。進一步通過動力學模型擬合，他們獲得了不同層數（n值）2D鈣鈦礦單晶中的載流子遷移動力學參數。這種獨特的性質使2D鈣鈦礦在載流子傳輸性能方面可與3D鈣鈦礦和其他傳統半導體相媲美，研究結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/電荷輸運領域具有廣闊的應用前景。
相關研究成果發表在《美國化學會志》（J. Am. Chem. Soc.）上。上述工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃“納米科技”重點專項、青年創新促進會和中科院戰略性先導科技專項（B）“能源化學轉化的本質與調控”等項目的支持。
