【導(dǎo)讀】

金屬鹵化物鈣鈦礦納米晶材料不僅在發(fā)光應(yīng)用方面具備優(yōu)異的性能，而且已在光伏、探測器、催化等應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。在基礎(chǔ)研究方面，鈣鈦礦納米晶材料因其明顯的尺寸效應(yīng)表現(xiàn)出獨特的物化性質(zhì)，亦引起了研究者們極大的興趣。尤其是我們一直對傳統(tǒng)的光伏材料（例如硅和砷化鎵）和新興的鈣鈦礦材料在載流子傳輸性質(zhì)上的眾多差異還未可知。

因此，深度剖析鈣鈦礦納米晶的早期或瞬態(tài)載流子漂移（傳輸）行為，揭示其獨特的載流子聲子散射、復(fù)合及缺陷捕獲等動力學(xué)機制，對材料基礎(chǔ)研究及其相應(yīng)的光電器件應(yīng)用都至關(guān)重要。然而，基于目前相對較為成熟的時間分辨光譜技術(shù)，尚無法實現(xiàn)在皮秒量級并以直接檢測載流子的方式對其動力學(xué)進(jìn)行探究。

【成果掠影】

近日，加拿大Brock University的Jianbo Gao教授課題組聯(lián)合美國NREL和LBNL等國家實驗室、Clemson University、Brown University、The University of Alabama等多個國際單位，以及華中科技大學(xué)、南開大學(xué)和吉林大學(xué)等多個國內(nèi)單位，應(yīng)用了一種分辨率小于25皮秒的超快光電流光譜儀技術(shù)，并且對CsPbl3納米晶的載流子動力學(xué)機制進(jìn)行了深度且更接近于器件真實應(yīng)用場景下的分析。

利用此超快光電流光譜儀技術(shù)，可得出CsPbl3納米晶的載流子傳輸在25 ps內(nèi)為載流子-聲子散射主導(dǎo)的類帶狀傳輸，而非極化子的跳躍傳輸；在25ps至125ps，為由缺陷和聲子散射共同主導(dǎo)的傳輸；在125ps后，主要為缺陷捕獲-再釋放的輸運機制。其中，載流子-聲子散射主導(dǎo)的類帶狀傳輸也可在傳統(tǒng)材料Si和GaAs中觀察到。

根據(jù)超快光電流譜圖，可分析計算得出CsPbl3納米晶薄膜的載流子遷移率、傳輸活化能、擴散長度和壽命等信息。并且，通過計算得出的載流子遷移率與溫度的關(guān)系， Ipeak∝T-n，可獲得標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)n（理論上不會隨著測試方法而改變），其n值可反映出聲子與載流子的相互作用強弱。

在240K至380 K溫度區(qū)間內(nèi)，CsPbI3納米晶體的n值為~2.72，遠(yuǎn)高于相應(yīng)塊狀體材料的0.92，也高于Si 材料的1.77和GaAs材料的2.56。這意味著CsPbI3納米晶具有最高的載流子與聲子作用強度，其原因或與鈣鈦礦陽離子與鹵素陰離子化學(xué)鍵長度、配位鍵數(shù)量和表面配體相關(guān)。此外，對不同溫度下CsPbI3納米晶的PL光譜和FWHM分析可同樣得出其載流子與光學(xué)聲子間的強相互作用。相關(guān)研究以“Ultrafast Carrier Drift Transport Dynamics in CsPbI3 Perovskite Nanocrystalline Thin Films”發(fā)表于ACS Nano上。

第一作者：Kanishka Kobbekaduwa博士、劉娥賢博士、趙乾博士

通訊作者：Jianbo Gao教授

通訊單位：Brock University

【核心創(chuàng)新點】

（1）應(yīng)用了一種先進(jìn)的皮秒級超快光電流光譜儀技術(shù)；

（2）揭示CsPbI3鈣鈦礦納米晶的載流子傳輸為光聲子作用主導(dǎo)的類帶狀傳輸（band-like transport），而非之前報道的極化子跳躍傳輸（hopping transport）；

（3）與其他材料相比，CsPbI3鈣鈦礦納米晶具有最強的載流子-聲子相互作用。

【數(shù)據(jù)概覽】

圖1 a, CsPbI3納米晶結(jié)構(gòu)與形貌; b, 皮秒級超快光電流光譜儀原理示意圖

圖2 不同溫度下CsPbI3納米晶（a,b）、GaAs（c,d）和Si（e,f）光伏材料的超快光電流譜圖

圖3 CsPbI3納米晶與其他光伏材料如CsPbI3 bulks、Si、GaAs、FAPbI3及MAPbI3等關(guān)于載流子遷移率和可反映載流子-聲子作用的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)n值的對比圖

圖4 不同溫度下CsPbI3納米晶的PL譜圖（a）及相應(yīng)的FWHM分析（b）

【成果啟示】

綜上，在皮秒級分辨率下檢測并分析得出，在不同時間區(qū)間內(nèi)CsPbI3納米晶表現(xiàn)出不同的載流子傳輸機制。而且，利用此皮秒級超快光電流光譜儀技術(shù)，不僅可對材料的載流子動力學(xué)進(jìn)行詳盡分析，而且可準(zhǔn)確計算出更接近真實光電器件應(yīng)用下的材料物化參數(shù)。此研究工作是對CsPbI3納米晶材料及其他鈣鈦礦材料載流子動力學(xué)的深入理解，更為光電材料的超快載流子動力學(xué)及其物化性質(zhì)表征提供了嶄新的平臺，并對提高器件的光電性能策略提供了一定的指導(dǎo)意義。

原文詳情：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c03989

來源：材料人