二维锡基钙钛矿中激子散射超快物理研究方面获进展

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本文转自:中科院之声

近期,中国科学院上海光学精密机械研究所微纳光电子功能材料实验室与上海电力大学等合作,在二维锡基钙钛矿中激子超快弛豫动力学研究方面取得进展。研究团队揭示了二维锡基钙钛矿的发光机理,证实了缺陷散射引起的变形势主导了激子带间弛豫的物理过程。相关成果发表于Nature Communications。

二维层状钙钛矿凭借强空间量子限制效应与弱介电屏蔽效应,激子结合能在室温下可以达到几百meV,是研究激子超快物理过程的理想材料。相对于二维铅基钙钛矿,二维锡基钙钛矿是一种无毒的环境友好型发光材料。然而,基于二维锡基钙钛矿发光器件的发光效率远远低于基于二维铅基钙钛矿的发光器件。

目前的研究结果表明非极性光学声子引起的变形势主导了二维铅基钙钛矿中激子带间弛豫过程,然而在二维锡基钙钛矿发光机理的研究仍然存在很大争议。争议的焦点在于,在缺陷散射和声子散射中,哪种散射主导了激子复合过程。存在争议的主要原因为,二维层状钙钛矿晶格结构比较柔软,这种特征会引起较强的激子-光学声子散射效应,进而极易引起激子自俘获现象,影响激子复合过程;其次,在二维锡基钙钛矿中,自俘获态与晶格物理缺陷进一步耦合形成非本征的激子俘获态,影响激子复合过程。目前,尚未能够辨别哪种散射过程主导二维锡基钙钛矿中激子复合的物理过程。

针对这一争议问题,研究人员自主设计并搭建了具有温场调控功能的瞬态吸收光谱系统。他们通过温度依赖的瞬态吸收光谱实验研究、二维钙钛矿的阳离子调控工程与激子散射物理模型等实验相结合,进一步揭示了二维锡基钙钛矿发光机理,即缺陷散射引起的变形势主导了激子复合过程,影响其发光效率,这与二维铅基钙钛矿存在显著不同。此外,研究结果表明二维锡基钙钛矿中激子弛豫过程可以分为三个部分:亚皮秒寿命的弛豫组分,是缺陷俘获激子过程和热激子引起带隙重整化过程的相互竞争;寿命为~100 ps的弛豫组分是由激子带间辐射复合过程引起,主要受带电缺陷变形势散射的影响,因此,该弛豫组分的弛豫速率随温度和缺陷态密度的降低而增加;纳秒寿命的弛豫组分,是缺陷辅助的自俘获态激子重组过程,包含了缺陷态辅助的激子辐射复合过程与非辐射复合过程。这些结果加深了对锡基钙钛矿材料非辐射复合过程的理解,为进一步优化二维锡基钙钛矿的发光效率提供了方向性指导。

相关工作得到了国家自然科学基金委和中科院项目的支持。

图1 (a)阳离子调控工程的二维锡基钙钛矿晶体结构示意图(b)二维锡基钙钛矿中激子弛豫物理过程的示意图

图2 四种具有不同晶格结构特征的二维锡基钙钛矿材料的瞬态吸收光谱

来源:中国科学院上海光学精密机械研究所

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