近日，我所超快时间分辨光谱与动力学研究组（1110组）金盛烨研究员、田文明副研究员团队在二维钙钛矿量子阱材料中载流子动力学研究工作中取得新进展，发现突破激子迁移极限的长距离载流子输运现象。
二维（2D）有机无机杂化钙钛矿半导体量子阱材料是在三维（3D）钙钛矿晶格中插入长链有机卤化胺配体形成的。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，易调谐带隙，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。以往研究普遍认为2D钙钛矿中载流子以激子形式存在，受到激子寿命和迁移率的限制，其激子迁移距离只有数百纳米，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。
在光电转化材料载流子动力学研究工作中，该团队在建立动力学测量新方法，解析动力学机理及载流子行为调控等方面取得了一系列研究进展。包括首次建立动力学可视化新方法（J. Am. Chem. Soc. , 2015）；应用此方法实现了钙钛矿太阳能电池中多晶膜晶粒中的微观动力学成像研究，提出了新的多晶薄膜载流子构效关系（Angew. Chem. Int. Ed., 2016），指出了限制双钙钛矿太阳能电池效率提高的影响因素（J. Phys. Chem. Lett., 2020）；实现了载流子的长距离定向输运调控（J. Am. Chem. Soc., 2017），2D钙钛矿中边界态调控（J. Phys. Chem. Lett., 2019）和Mn掺杂钙钛矿微晶发光颜色调控（J. Am. Chem. Soc., 2019）。
在本项工作中，该团队应用建立的动力学可视化新方法首次观测到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2~5μm。科研人员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，边界态发光动力学具有明显的距离依赖性。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，认为这种长距离载流子输运是通过缺陷辅助的激子解离形成长寿命和不发光的电子空穴分离态实现的。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。这种独特的性质使2D钙钛矿在载流子传输性能方面可与3D钙钛矿和其他传统半导体相媲美，研究结果打破了人们对二维材料中载流子传输距离短的认知，使得其在高效能量/电荷输运领域具有广阔的应用前景。
相关研究成果发表在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）上。上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、青年创新促进会和中科院战略性先导科技专项（B）“能源化学转化的本质与调控”等项目的支持。（文/图 赵春一、田文明）
