刘新风研究团队揭示钙钛矿中激子迁移率接近Mott-Ioffe Regel极限的物化机制

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国家纳米科学中心刘新风研究员团队，联合北京大学张青团队、华南师范大学吴波团队，运用时间分辨荧光显微镜技术（Time-Resolved Photoluminescence Microscopy, TRPLM），研究了二维Ruddlesden−Popper钙钛矿（2D RPP）中的激子输运过程，通过在表面使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）刚性网络锚定软丁基铵阳离子的方法，在机械剥离的薄片中实现大幅度提升自由激子迁移率，从约7.6 cm2V-1s-1提高到约280 cm2V-1s-1（如图1所示）。提高之后的载流子迁移率接近Mott-Ioffe-Regel准则的理论极限。相关研究成果以Boosting Exciton Mobility Approaching Mott-Ioffe-Regel Limit in Ruddlesden−Popper Perovskites by Anchoring the Organic Cation为题发表在Nature Communications杂志上（DOI: 10.1038/s41467-024-45740-y）。

图1. 盖玻片和PMMA包裹的机械剥离(BA)2PbI4-RPP薄片中的激子传输性质对比。

       2D RPP中的激子输运性质对其光电性能起着主导性的作用，目前遇到的最大问题是载流子迁移率与3D钙钛矿相比，低约1-2个数量级。由于有机-无机杂化晶格中的强限域效应和复杂的激子-声子相互作用，目前仍然缺乏激子传输特性的清晰光物理图像。并且，激子-激子湮灭、层间耦合和缺陷等因素也会影响2D RPP中的激子传输行为。因此，尽管在激子传输方面取得了很大的进展，但激子输运和晶格性质之间的明确关联性，特别是关于激子和晶格相互作用的影响，仍然需要进一步探索。此外，如何通过调节激子-声子相互作用来调整激子输运特性对于基于2D钙钛矿的光电子应用来说也是迫切需要解决的问题。

       研究团队使用时间分辨荧光显微镜技术，直接观察了一系列物理剥离的(BA)2(MA)n-1PbnI3n+1 RPP薄片中的超快激子输运过程。在理解了二维体系中电子-晶格相互作用物理图像的基础上（Sci. Adv., 9, eadi9347, 2023），利用PMMA网状结构固定了(BA)2(MA)n-1PbnI3n+1 RPP表面的BA分子，结合时间分辨荧光显微成像技术，观察到了光生激子的快速扩散，其迁移率从无PMMA的8 cm2V-1s-1提升到了280 cm2V-1s-1，激子迁移率高出1-2个数量级，且符合了Mott-Ioffe-Regel（MIR）准则（如图2所示）。此时2D RPP中限域的激子输运机制是局域跳跃输运和半经典类带输运之间的中间情况，它独特地结合了这两种描述的特征，表现出激子波函数离域和高结合能。
        温度依赖的荧光测量表明，PMMA刚性网络可以将BA分子锚定在表面，导致晶格刚性提高和无序度降低，这一点也得到了分子动力学（MD）模拟的证实。而且激子-声子散射变形势从4.0 ´ 108 eV/cm下降至9.9 ´ 107 eV/cm，激子散射时间和平均自由程大大增加，因此显著改善了激子的输运性质。上述发现阐明了Ruddlesden−Popper钙钛矿中高激子迁移率的起源，揭示了激子输运、晶格刚度和激子-晶格相互作用之间的强关联性。该研究通过调控电声耦合强度实现了激子输运性能的巨大突破，为调控二维杂化体系中激子的发光和输运提供了新的思路。
        国家纳米科学中心博士生龚一洋为文章第一作者，刘新风研究员、吴波研究员、张青副教授为通讯作者。香港理工大学应用物理系殷骏教授提供了理论计算，南开大学物理科学学院学院超快电子显微镜实验室邓时滨副教授提供了理论指导。该项工作得到了国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划等项目大力支持。
        原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45740-y
        文章来源：国家纳米中心
      刘新风，2007年在东北师范大学获得硕士学位，导师刘益春教授。2011年在国家纳米科学中心获得博士学位，导师裘晓辉研究员。2011-2015年在新加坡南洋理工大学从事博士后研究工作，合作者Sum Tze Chien教授。2015年进入国家纳米科学中心工作，被聘为“百人计划”研究员。研究方向为超快光学、纳米光子学和非线性光学。至今在Nature Materials, Nature Communications, Nano Letters, Advanced Materials, ACS nano 等国际一流期刊上发表论文30余篇，引用800余次。授权中国专利3项。