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大連化物所發現鈣鈦礦在高壓下保持優異的載流子輸運性能

撰稿: 大連化學物理研究所 發布時間:2021-12-15

  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、研究員田文明等在高壓環境下光生載流子輸運研究中取得新進展。該團隊通過時空分辨熒光掃描成像技術,實現了高壓環境下載流子輸運的直接觀測,并發現鈣鈦礦在高壓環境下仍然可以保持良好的載流子輸運性能。

  壓力作為重要的熱力學影響因素,可以有效縮短原子間距,增強電子軌道耦合,進而改變物質的電子和晶體結構,從而揭示材料結構與性能的關系,并在發現新結構、新現象和闡釋新機制方面發揮著重要作用。研究發現,壓力可以有效改變鈣鈦礦材料的光電特性,并且在一定的壓力范圍內可以提升器件的光電性能。鈣鈦礦材料的載流子壽命,載流子遷移率和遷移距離是決定器件性能的重要參數。因此,了解這些核心參數在壓力作用下如何變化,對于理解壓力對鈣鈦礦器件光電性能的影響至關重要。高壓下材料性質研究主要在金剛石對頂砧壓腔內完成,受到壓腔空間以及傳壓介質限制,采用傳統方法測量高壓下載流子輸運性能具有巨大挑戰。

  本工作中,該團隊通過將金剛石對頂砧與時空分辨熒光掃描成像等技術相結合,在高壓環境下直接觀測到三維鈣鈦礦MAPbI3單晶中的載流子輸運過程,并發現在0.4至5.7GPa壓力范圍內,三維鈣鈦礦MAPbI3單晶的擴散系數比常壓提高30%以上,載流子依然可以保持5至8μm遷移距離。同時,團隊結合高壓下X射線衍射和拉曼光譜等表征技術,證明了MAPbI3單晶在0.3至0.4GPa發生了由四方相到立方相的結構轉變,在大約3GPa發生了等結構相變。本工作揭示了壓力對三維鈣鈦礦MAPbI3載流子輸運的影響,并為利用壓力來調節或優化鈣鈦礦的光電特性提供了新思路。

  相關研究成果以“Excellent Carrier Transport Property of Hybrid Perovskites Sustained under High Pressures”為題,于近日發表在《美國化學會能源快報》(ACS Energy Letters)上。該工作的第一作者是大連化物所聯合培養博士研究生尹延峰。上述工作得到國家重點研發計劃“納米科技”重點專項、國家自然科學基金、中科院青年創新促進會等項目的支持。

  文章鏈接:https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c02359

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