二维钙钛矿材料的光学特性及其调控研究

Two-dimensional (2D) perovskites have the characteristics of both the 2D materials and perovskites, such as large-area preparation, great tunability, great wearability, and a long carrier diffusion, a wide absorption range and a high quantum efficiency. Because of the excellent optical properties, 2D perovskites have attracted great interests for photovoltaic and photoelectronic devices. However, there are still some issues concerning the regulation and improvement of the optical properties of 2D perovskites which need further investigation. In this project, we will perform a systematical study by exploring the influence of preparation conditions and physical treatments on the optical properties of 2D perovskites, and we will also study the ultrafast dynamics to reveal the physical mechanism. Based on these studies, we will develop some effective methods to regulate and improve the optical properties of 2D perovskites. The study in this project will help us to better understand the light-matter interaction in 2D perovskites, and will lay great foundations for obtaining high-quality 2D perovskites and high-performance devices. Overall, it is of great importance for further improving the efficiency and performances of the optoelectronic devices based on perovskites.

二维钙钛矿是一种新型半导体材料，它同时具备二维材料和钙钛矿的优良特性，如可大面积制备、特性可调控、柔性可穿戴以及载流子迁移率高、吸收范围广、量子效率高等，因此近年来得到人们的广泛关注。然而，如何实现对二维钙钛矿材料光学特性的调控、改善其中严重的表面束缚态等是当前亟待解决的重要问题。本项目拟系统研究二维钙钛矿的光学特性，探索材料生长环境和物理调控手段对二维钙钛矿光学性能的影响，并结合其超快动力学过程揭示其中的物理机理，从而实现对其光学特性的调控，获得光学性能优越的二维钙钛矿材料。该项目的研究有利于人们更加深刻理解二维钙钛矿体系中的光与物质相互作用机理，为获得光学性能优良的二维钙钛矿材料和器件提供理论和实验支撑，对于进一步提高钙钛矿光电器件的效率和性能具有重要意义。

二维有机-无机杂化钙钛矿是一种新型半导体材料，它同时具备二维材料和钙钛矿的优良特性，例如可大面积制备、载流子迁移率高、吸收范围广、量子效率高等，近年来得到人们的广泛关注。然而，化学方法生长的二维有机-无机杂化钙钛矿材料具有严重的表面缺陷态，如何改善其表面缺陷态并且实现二维钙钛矿材料光学特性的调控对于制备高性能光电子器件具有重要意义。本项目从二维杂化钙钛矿的生长和光学特性调控入手，系统研究了在不同条件下生长的二维钙钛矿单晶薄膜的光学特性，并利用光照、电场、复合结构等多种手段对二维杂化钙钛矿的光学特性进行了调控。重要研究结果包括：1. 研究了不同光照生长条件对二维有机-无机杂化钙钛矿单晶薄膜的影响，发现一定强度的紫外光照射有利于改善二维杂化钙钛矿单晶薄膜的质量，并基于此制备了高性能的二维钙钛矿光电探测器，为制备高质量的二维钙钛矿单晶薄膜提供了简单有效的新方法；2. 开展了利用聚合物包裹二维杂化钙钛矿薄膜来改善其光学特性和稳定性的研究，发现利用疏水性聚合物包裹二维杂化钙钛矿薄膜有利于抑制其中的表面缺陷，从而提升其光发射性能，并且使其在室温环境下的稳定性大大提高；3. 研究了近红外脉冲激光持续照射下二维杂化钙钛矿单晶薄膜的非线性光辐射特性，发现激光作用有利于促进环境中的氧元素对二维钙钛矿单晶薄膜的表面缺陷进行钝化从而提升其非线性光辐射性能，并提出了光诱导缺陷钝化物理模型；4. 将高质量有机-无机钙钛矿单晶薄膜与光学微腔集成，实现了低阈值(~421 uJ/cm2)、高品质因子(1286)、发散角小(0.5度)的双光子单纵模激光，为制备高性能频率上转换微纳光源奠定了实验基础；5. 开展了电场作用对杂化钙钛矿单晶薄膜非线性光辐射特性的调控研究，发现电场作用有利于对杂化钙钛矿中的表面缺陷态进行动态调控，从而实现了其非线性光辐射的增强和调控。 通过本项目的研究，解决了二维杂化钙钛矿高质量生长、二维钙钛矿材料缺陷态的调控与改善、高性能二维钙钛矿非线性光子器件等关键科学问题，对于高质量二维钙钛矿材料的合成和制备高性能光电器件具有重要的指导意义。