压力调控激子输运显著提升二维钙钛矿紫外光电响应

二维有机-无机铅卤素钙钛矿因其卓越的光电性能，在太阳能转换、发光显示和光电探测等领域得到广泛关注。然而，在传统<100>结构二维钙钛矿中，较大的层间距限制了载流子的纵向输运。相比之下，<110>结构二维钙钛矿因其紧凑的层间距而展现出良好的载流子输运性能。然而，其固有的结构特征（如八面体倾斜）导致了强电子-声子耦合，进而产生自陷激子（STEs），不利于载流子输运。

近日，中国科学院大连化学物理研究所金盛烨研究员（点击查看介绍）、田文明研究员（点击查看介绍）团队通过压力调控<110>型二维钙钛矿(API)PbBr₄晶体结构，成功抑制了(API)PbBr₄中自由激子（FEs）向STEs的转变，并实现了高达93.6 cm² V^-1 s^-1的激子迁移率。这一超快激子输运特性显著提高了二维钙钛矿(API)PbBr₄的紫外光响应，突显了其在高效光电器件中的潜在应用前景。

图1. 二维钙钛矿(API)PbBr₄晶体结构、晶胞参数以及畸变程度变化

首先，该团队通过原位XRD表征手段研究了不同压力下(API)PbBr₄晶体的结构变化，结果表明(API)PbBr₄在2.7 Gpa压力下发生等结构相变。2.7 GPa之前，压缩主要影响[PbBr₆]^4-八面体相对空间排列，晶体表现出各向异性缩性。2.7 GPa之后，压缩主要影响[PbBr₆]^4-八面体的结构，增加八面体畸变程度，晶体表现出各向同性压缩。

图2. 二维钙钛矿(API)PbBr₄的荧光、扩散系数以及成像

此外，该团队通过利用自主搭建的时间分辨荧光扫描成像系统，系统地研究了二维钙钛矿(API)PbBr₄单晶在不同压力下的光致发光以及载流子输运性能。结果表明，随着压力增加， (API)PbBr₄的STEs发光不断减弱，同时FEs发光先增强后减弱，说明压力可有效抑制(API)PbBr₄中FEs到STEs的转变。荧光成像结果表明(API)PbBr₄中FEs的迁移率随着压力增加而增加，当压力为2.7 GPa时达到最大值93.6 cm² V^-1 s^-1，可与三维钙钛矿中的载流子迁移率相媲美。同时，由于(API)PbBr₄中无机层的波纹结构，(API)PbBr₄在无机平面内表现出各向异性的激子迁移。当压力达到2.7 GPa时，最大和最小方向上的激子迁移率分别为93.6 cm² V^-1 s^-1和18.8 cm² V^-1 s^-1，各向异性之比为4.97。

图3 光电流示意图、光电流大小以及常压跟高压下的光电流对比

基于高压下超快激子输运性能，该团队测试了不同压力下(API)PbBr₄晶体在375 nm紫外光下的光电流。结果表明，相比于常压，2.7 GPa时，(API)PbBr₄对375 nm紫外光的响应度提高了约5000倍，展示了其作为紫外光电探测器的巨大应用潜力。

研究成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上。该工作的共同第一作者为中国科学院大连化学物理研究所1110组博士后尹延峰、博士研究生闫宪昌，通讯作者为田文明研究员，上述工作得到了中国科学院基础研究领域青年团队、国家自然科学基金、兴辽计划青年拔尖人才等项目的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Enhanced UV Light Responsivity in <110>-Oriented 2D Perovskites Realized by Pressure-induced Ultrafast Exciton Transport

Yanfeng Yin^#, Xianchang Yan^#, Hui Luo, Yongfu Liang, Peng Xu, Yiming Wang, Shengye Jin and Wenming Tian*

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202418587

田文明研究员简介

田文明，女，博士，研究员，博士生导师。2009年毕业于东北师范大学，获理学学士学位；2015年毕业于中国科学院大连化学物理研究所，获得物理化学专业博士学位。毕业后留所工作至今，2017年晋升为副研究员，2021年晋升为研究员。

研究方向：利用自主构建的荧光扫描动力学成像技术解析光电转化材料中的光诱导动力学过程，探究低温、高压、磁场条件对光诱导动力学过程的影响；同时结合时间分辨荧光成像、电致发光成像、光电流成像以及电泵浦瞬态吸收成像技术解析太阳能电池和电致发光等器件在实际应用过程中的电荷注入以及复合等动力学过程，建立微纳空间动力学参数与器件性能的构效关系。在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., J. Phys. Chem. Lett., J. Energy Chem.等学术期刊上发表论文30余篇，主持国家自然科学基金优秀青年科学基金、面上、青年创新促进会和大连市青年科技之星等项目。获得第七届沈阳分院优秀青年科技人才奖，入选2019年度中科院青年创新促进会和2020年度张大煜青年学者。

导师介绍

金盛烨

https://www.x-mol.com/university/faculty/22683 

田文明

https://www.x-mol.com/university/faculty/386103 

课题组网页

http://www.utrspd.dicp.ac.cn/