低维卤化物钙钛矿晶体光激发载流子和激子动力学研究

The halide perovskite materials with excellent optoelectronic properties are the current research hotspots in the world. Their luminescence spans the spectral region from the near-ultraviolet to the near-infrared through alteration of the proportions of the halogen elements and the crystal size. Moreover, their luminescence bands are narrow and their luminescence quantum yields are high. They have also the defect-tolerant property. They have wide application potential in solar cells, light-emitting diodes, lasers, color displays, and photodetectors. The halide perovskites are also superior prototype materials for studying the physics on the nanoscale, and they have exciton properties quite different from that of the common semiconductor materials. Little has been known about the physical mechanisms lying behind the superior optoelectronic performances of the low-dimensional halide perovskites. In this project, we shall study the fabrications of the two-dimensional layered perovskites as well as the tetragonal and trigonal perovskite nanocrystals whose properties have been seldom known by using the solution-synthesis methods. By using the microstructural and optical spectroscopy characterizations in conjunction with the theoretical modeling and first-principles calculations, we shall study the electronic and phonon structures, the dynamics of the photon-generated carriers and excitons, the interaction and coupling among the photons, electrons, and phonons. We shall also study how the defects and stresses affect the optical spectra of such perovskites.

具有优异光电性能的卤化物钙钛矿材料是目前国际上的研究热点。它的发光可通过改变卤素比例和晶体尺寸而在近紫外到近红外光谱区间内可调，并且发光峰窄、量子产率高，并有缺陷容忍（defect-tolerant）的特性。它在包括太阳能电池、发光二极管、激光、彩色显示和光探测器等领域都有广阔的应用前景。卤化物钙钛矿还是进行纳尺度物理研究的出色原型材料，它具有非常不同于一般半导体材料的激子特性。迄今为止，人们对低维卤化物钙钛矿晶体具有出色光电性能背后的物理机制仍缺乏了解。在本项目中，我们拟采用溶液合成法制备目前仍知之甚少的二维层状钙钛矿及四方和三方晶系钙钛矿纳米晶体，利用微结构和光谱表征并结合理论模型构建和第一性原理计算，研究其电子和声子结构以及光生载流子和激子动力学，包括光子与电子（声子）相互作用和耦合的规律，以及缺陷和应力对光谱影响的规律等。

卤素钙钛矿是具有优异光物理性质的新型半导体材料，它们在固体发光、光伏器件、光探测器等领域都有良好的应用前景，是当前国际上的一个研究热点。为了更好地实现卤素钙钛矿的器件应用，对其光生载流子和激子的光物理性质的认识就十分必要，本项目以此为研究目标，利用溶液反应法制备出多种低维铅卤素钙钛矿以及不含铅的双钙钛矿和类钙钛矿化合物半导体，基于微结构和光谱表征并结合密度泛函理论计算，对其结晶过程和载流子和激子光动力学以及器件应用开展了深入研究，同时拓展研究了其它几种半导体量子点的载流子和激子性质，取得了一些原创性强的研究成果。我们利用原位相变或激光诱导相变的方法制得核/壳结构或镶嵌结构全无机钙钛矿异质纳米晶体，揭示了它们独特的自由空间和腔模激子发光性质。揭示了范德瓦尔斯力和极化力等对钙钛矿纳米晶体自组织生长的影响。发现零维铯铅溴钙钛矿量子点具有来自于准自陷激子的近紫外发光。发现在掺锰的铅卤素钙钛矿纳米晶体中，激子电离和锰离子对带边载流子的俘获都对锰离子发光有重要影响。揭示了基于铅卤素钙钛矿纳米晶体的电致发光器件的随偏压变化的载流子传输和复合机制，发现非平衡载流子累积导致的增强俄歇复合以及内热效应导致的光谱涨落。发现多面体单元对杂化锡卤素零维类钙钛矿的发光性质有决定作用，它们的高频和低频声子在其光动力学过程中发挥了不同作用。发现杂化铜卤素化合物半导体具有分别来源于单中心和双中心的自陷激子发光。揭示了铯铋溴纳米片中存在沿溴-铋八面体层的边缘/内部传播的具有/不具有拉曼活性的局域化格波模式。认识到八面体单元合金化能够引起双钙钛矿的晶体对称性降低和激子局域化增强。在本基金项目支持下所取得的一系列研究成果深化了对低维钙钛矿等半导体中的载流子和激子光物理性质的认识，也为其光电器件应用提供了新的思路。