JACS：二维钙钛矿量子阱材料中载流子输运新机制

来源：X一MOL资讯

二维（2D）有机无机杂化钙钛矿半导体材料是在三维（3D）钙钛矿晶格中插入长链有机卤化胺配体形成的。2D钙钛矿材料的结构通式为L2An-1MnX3n+1，其中L为长链有机配体，A为阳离子，M为金属离子 (M = Pb， Sn)，X为卤素离子 (X= Cl, Br, I)，n为两层相邻长链有机配体之间[MX6]4−的层数。通过改变n的大小能够实现对2D钙钛矿光电性质的调控。由于2D钙钛矿具有独特的性质，如柔性结构，大的激子结合能，可调节的带隙以及显著提高的耐湿性，使得其在光电和量子器件应用领域得到广泛关注。
然而，与3D钙钛矿和其他传统半导体量子阱材料相比，2D层状钙钛矿材料中载流子输运能力较差。由于几何限域和长链有机层的屏蔽效应，2D层状钙钛矿中激子结合能较大，因此其光生载流子主要以激子形式存在。在以往的研究中发现，由于受到2D层状钙钛矿中激子寿命和迁移率的限制，其载流子迁移距离只有数百纳米（n≤4），比3D钙钛矿材料小一个量级以上。基于文献中报道的载流子输运特性，在依赖于载流子长距离输运器件应用方面，2D钙钛矿可能无法与3D钙钛矿和其他传统半导体量子阱材料相媲美。
中国科学院大连化物所金盛烨研究团队应用自主搭建的荧光扫描动力学成像系统首次观测到2D钙钛矿单晶PEA2MAn-1PbnI3n+1 (n=2~4) 中突破激子迁移极限的长距离载流子输运现象，其迁移距离可达2~5 μm。他们采用共聚焦定点激发2D钙钛矿单晶，通过荧光扫描动力学成像观测到距离激发点一定距离的低能态“边界态”发光，同时边界态发光动力学具有明显的距离依赖性。由于载流子传输路径上没有复合发光，因此他们推测载流子以一种不发光的“暗态”在晶体中传输。结合温度等实验，他们提出了缺陷态辅助的长距离载流子输运新机理。光激发产生的激子部分解离成自由电子和空穴，空穴被缺陷快速捕获，电子在导带中快速迁移到边界态，而空穴则以trapping/detrapping的方式输运到边界态，由于两者的迁移速度不同，形成了电荷分离态，所以在迁移路径中不会复合发光。进一步通过动力学模型拟合，他们获得了不同层数（n值）2D钙钛矿单晶中的载流子迁移动力学参数。

此项研究提出了2D钙钛矿量子阱材料中载流子输运新机制，这一独特的性质使得2D层状钙钛矿在高效光电器件和其他依赖于长距离载流子输运器件应用等方面展现出巨大的潜在价值。这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society上，文章的第一作者是中科院大连化物所博士研究生赵春一。
Trap-Enabled Long-Distance Carrier Transport in Perovskite Quantum WellsChunyi Zhao, Wenming Tian, Qi Sun, Zixi Yin, Jing Leng, Shiping Wang, Junxue Liu, Kaifeng Wu, Shengye JinJ. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c06572
金盛烨研究员简介

金盛烨，中科院大连化学物理研究所研究员。2013年12月加入中科院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室，任超快时间分辨光谱和动力学研究组组长。主要从事光电转换材料超快动力学方面的研究工作，独特之处在于以时间分辨光谱检测技术为基础，通过系统性动力学检测和解析为光电材料在太阳能电池、光催化、微纳光子器件等领域的应用提供载流子动力学层面的理解。近五年，在该领域内发表论文50余篇，主要包括JACS, Angew, ACS Energy letter, Nano Letter，JPCL 等。承担了国家杰出青年基金、自然科学基金和科技部国家重点研发计划等项目。