王跃：钙钛矿发光物理方面的最新研究成果

shanwaishan

12月 17 日， Nature 旗下杂志《 Communications Physics》 在线刊登了王跃教授和曾海波教授在卤化钙钛矿发光物理领域的重要研究成果，论文题名为： Switching Excitonic Recombination and Carrier Trapping in Cesium Lead Halide Perovskites by Air 。《 Communications Physics》 是自然科研旗下新创办的物理类综合性开放获取期刊，主要收录以物理科学为中心主题的高质量研究成果。

近年来，全 无机铯铅卤化钙钛矿 （ CsPbX3 ）由于其优异的光学、电学特性和良好的环境稳定性而受到了科研领域的广泛关注。目前，基于无机钙钛矿的太阳能电池、发光二极管以及激光等光电器件都得到了飞速发展，某些领域甚至达到了可商业化标准。因此，科学界将这种新兴的无机钙钛矿半导体材料视为将来新一代光电器件的重要组成部分。然而，相比于如火如荼的器件发展，对于该材料的基础光物理性质的研究却远远不足，很多光物理信息仍属未知。其中，材料在制备和应用过程中都几乎不可避免的要接触环境气氛，例如空气。这些气氛可能会与材料发生可逆或不可逆的物理及化学作用，从而对材料的光电性质产生巨大的改变，这也将直接影响太阳能电池和发光二极管等器件性能。因此，揭示环境气氛对无机钙钛矿光物理性质的影响不仅在基础物理方面具有重要意义，也将对发展钙钛矿光电器件起到重要作用，比如 LED 发光器件、太阳能电池、光电探测器等等。

近日，南京理工大学王跃教授（第一作者）、曾海波教授（通讯作者）和新加坡南洋理工大学孙汉东教授（通讯作者）共同揭示了全无机钙钛矿发光“空气开关效应”的氧分子物理吸附机制。该工作报道了不同环境气氛对无机钙钛矿发光性能的重要影响，发现了空气对钙钛矿发光可实现高达 60 倍的可逆调控。为揭示该现象背后的物理机制，作者首先通过变温荧光光谱和不同激发光强荧光光谱分析，指出在室温下无机钙钛矿的发光来源于自由激子复合。然后，采用单光子和双光子荧光光谱分析，揭示了这种动态可调的荧光行为发生在钙钛矿晶体表面 (<100 nm) 而非内部。通过不同气氛下的原位荧光光谱分析，发现氮气、水蒸气等对钙钛矿发光的影响可以忽略不计，而氧气则是导致钙钛矿荧光变化的核心气体。由于这种发光调控是完全可逆的，说明是氧气分子的物理吸附而非化学吸附对钙钛矿表面产生了有效钝化作用。最后，采用不同气氛下近常压 XPS 分析，发现氧气与钙钛矿间确实存在电荷转移，从而直接证明了氧气对钙钛矿的钝化作用，该结论也从第一性原理（ DFT ）计算得到再次证实。

这项研究表明，环境气氛对无机钙钛矿光物理性质具有重要影响，阐明了空气中氧气分子对钙钛矿表面的有效钝化作用，从而对钙钛矿发光起到了“开关”作用。上述结果不仅加深了对无机钙钛矿发光物理方面的理解，也将为优化无机钙钛矿光电器件提供新思路。