有机-无机钙钛矿材料中激子行为及相关光电性质研究

Organic-inorganic perovskite materials have attained tremendous attentions for their excellent performance in photovoltaic field. Although the perovskite materials have been explored extensively, a clear understanding of the excitonic behavior (especially in 2D perovskite) is still lacking. In this project, we are planning to synthesize the high-quality 3D and 2D perovskite crystal firstly by CVD method. Then we use steady-state absorption and luminescence spectroscopy, Raman spectroscopy, and transient absorption spectroscopy, combing with the related electrical characterization techniques, systematically study the exciton behavior in 3D and 2D perovskite materials and explore the strong/weak interactions between excitons, photons, plasmonics and cavity modes, respectively. Furthermore, we will apply these results in the field of photonic devices and study the carrier dynamics in the confined systems for realizing the polariton lasing at room temperature with low threshold and Boss-Einstein Condensation. Implementation of this project will be helpful in solving some of the key scientific problems in this field, and also helpful in the optimization and application of perovskite based photoelectric devices.

有机-无机杂化钙钛矿材料由于其在太阳能电池领域的优异表现受到了人们的极大关注。尽管人们对钙钛矿材料开展了广泛的研究,但是对于钙钛矿材料中激子（特别是二维结构钙钛矿中激子）的行为还缺乏清晰完备的认识。在本项目中，我们拟通过化学气相沉积法制备高质量的三维（3D）和二维（2D）结构钙钛矿晶体材料，利用稳态吸收和荧光光谱、拉曼光谱、瞬态吸收光谱等光谱学手段并结合相关的电学测量，系统研究3D和2D钙钛矿材料中的激子行为，探讨激子和光子、激子和表面等离激元、激子和谐振腔模式的强/弱相互作用。并进一步将这些研究结果应用到光电器件领域，研究激子在受限体系下的动力学行为，实现室温下低阈值的极化激元激光器和波色-爱因斯坦凝聚。该项目的实施将有助于解决该领域的一些关键科学问题，为钙钛矿基新型光电器件的功能优化和应用奠定基础。

钙钛矿材料在光伏，光电探测，发光器件等方面有着广泛研究。钙钛矿中激子的形成，传输，复合及与其他粒子的相互作用对其器件性能有着深远影响。研究不同类型钙钛矿中激子的行为对提升器件性能，发展钙钛矿新型功能器件有着很重要意义。本项目首先利用化学气相沉积法制备了不同形态的三维（3D）和二维（2D）结构钙钛矿晶体材料，包括纳米片，纳米线，微米片，微米球等。在此基础上构建了钙钛矿异质结结构和钙钛矿光学微腔阵列等。本项目揭示了2D和3D钙钛矿中激子的量子限域效应和激子-声子耦合对发光，激射等性能的影响，同时在钙钛矿异质结中观察到了超快的电荷转移过程和大的光学非线性响应。这为钙钛矿在构建快速响应的光电器件方面提供了依据。我们在钙钛矿微腔中实现了光子与激子的强耦合，拉比劈裂可到656 meV。更进一步地，在钙钛矿/分布式布拉格反射镜腔中实现了空间束缚的激子极化激元凝聚。这些发现为构建基于钙钛矿的激子极化激元传输和光开关器件提供了依据。另外我们也得到了2D和3D钙钛矿不同腔类型的激射。特别是在蓝宝石基底上实现了连续光泵浦激射，阈值最低仅为130 W cm-2。我们同时发展了由钙钛矿单晶薄膜刻蚀加工激光阵列的技术手段，为钙钛矿微纳激光器的批量可控制作提供了思路。