科研团队在钙钛矿纳米晶研究领域取得新进展

【导读】

金属卤化物钙钛矿纳米晶材料不仅在发光应用方面具备优异的性能，而且已在光伏、探测器、催化等应用领域展现出巨大的潜力。在基础研究方面，钙钛矿纳米晶材料因其明显的尺寸效应表现出独特的物化性质，亦引起了研究者们极大的兴趣。尤其是我们一直对传统的光伏材料（例如硅和砷化镓）和新兴的钙钛矿材料在载流子传输性质上的众多差异还未可知。

因此，深度剖析钙钛矿纳米晶的早期或瞬态载流子漂移（传输）行为，揭示其独特的载流子声子散射、复合及缺陷捕获等动力学机制，对材料基础研究及其相应的光电器件应用都至关重要。然而，基于目前相对较为成熟的时间分辨光谱技术，尚无法实现在皮秒量级并以直接检测载流子的方式对其动力学进行探究。

【成果掠影】

近日，加拿大Brock University的Jianbo Gao教授课题组联合美国NREL和LBNL等国家实验室、Clemson University、Brown University、The University of Alabama等多个国际单位，以及华中科技大学、南开大学和吉林大学等多个国内单位，应用了一种分辨率小于25皮秒的超快光电流光谱仪技术，并且对CsPbl3纳米晶的载流子动力学机制进行了深度且更接近于器件真实应用场景下的分析。

利用此超快光电流光谱仪技术，可得出CsPbl3纳米晶的载流子传输在25 ps内为载流子-声子散射主导的类带状传输，而非极化子的跳跃传输；在25ps至125ps，为由缺陷和声子散射共同主导的传输；在125ps后，主要为缺陷捕获-再释放的输运机制。其中，载流子-声子散射主导的类带状传输也可在传统材料Si和GaAs中观察到。

根据超快光电流谱图，可分析计算得出CsPbl3纳米晶薄膜的载流子迁移率、传输活化能、扩散长度和寿命等信息。并且，通过计算得出的载流子迁移率与温度的关系， Ipeak∝T-n，可获得标准化参数n（理论上不会随着测试方法而改变），其n值可反映出声子与载流子的相互作用强弱。

在240K至380 K温度区间内，CsPbI3纳米晶体的n值为~2.72，远高于相应块状体材料的0.92，也高于Si 材料的1.77和GaAs材料的2.56。这意味着CsPbI3纳米晶具有最高的载流子与声子作用强度，其原因或与钙钛矿阳离子与卤素阴离子化学键长度、配位键数量和表面配体相关。此外，对不同温度下CsPbI3纳米晶的PL光谱和FWHM分析可同样得出其载流子与光学声子间的强相互作用。相关研究以“Ultrafast Carrier Drift Transport Dynamics in CsPbI3 Perovskite Nanocrystalline Thin Films”发表于ACS Nano上。

第一作者：Kanishka Kobbekaduwa博士、刘娥贤博士、赵乾博士

通讯作者：Jianbo Gao教授

通讯单位：Brock University

【核心创新点】

（1）应用了一种先进的皮秒级超快光电流光谱仪技术；

（2）揭示CsPbI3钙钛矿纳米晶的载流子传输为光声子作用主导的类带状传输（band-like transport），而非之前报道的极化子跳跃传输（hopping transport）；

（3）与其他材料相比，CsPbI3钙钛矿纳米晶具有最强的载流子-声子相互作用。

【数据概览】

图1 a, CsPbI3纳米晶结构与形貌; b, 皮秒级超快光电流光谱仪原理示意图

图2 不同温度下CsPbI3纳米晶（a,b）、GaAs（c,d）和Si（e,f）光伏材料的超快光电流谱图

图3 CsPbI3纳米晶与其他光伏材料如CsPbI3 bulks、Si、GaAs、FAPbI3及MAPbI3等关于载流子迁移率和可反映载流子-声子作用的标准化参数n值的对比图

图4 不同温度下CsPbI3纳米晶的PL谱图（a）及相应的FWHM分析（b）

【成果启示】

综上，在皮秒级分辨率下检测并分析得出，在不同时间区间内CsPbI3纳米晶表现出不同的载流子传输机制。而且，利用此皮秒级超快光电流光谱仪技术，不仅可对材料的载流子动力学进行详尽分析，而且可准确计算出更接近真实光电器件应用下的材料物化参数。此研究工作是对CsPbI3纳米晶材料及其他钙钛矿材料载流子动力学的深入理解，更为光电材料的超快载流子动力学及其物化性质表征提供了崭新的平台，并对提高器件的光电性能策略提供了一定的指导意义。

原文详情：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c03989

来源：材料人