一维无铅有机-无机杂化钙钛矿C4N2H14SnBr4的高压研究

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一种新型的光电材料金属卤化物钙钛矿(Metal halide perovskites,MHPs)有着卓越的物理化学性质,引起科学家们极大的关注。其中,基于良好的光电性能,钙钛矿材料已被广泛应用于太阳能电池的研究,截至目前,由美国国家可再生能源实验室认证的钙钛矿太阳能电池光电转换效率已经增长到25%。尤其是近年来,低维金属卤化物钙钛矿更是受到了广泛的关注,成为最热门的光电材料之一。低维金属卤化物钙钛矿有着稳定性高、光电性能可调性以及有机阳离子的可调节性等诸多优点,这些优异的物理化学性质都为其广泛的应用提供了无限可能。又由于通过调控金属、卤化物和有机成分使得金属卤化物钙钛矿实现了多种波段色彩调节,并且表现出了超高的光致发光量子产率(PLQY),这为光学器件上的应用也提供了新的思路。一维金属卤化物钙钛矿具有独特的结构特点,金属卤化物八面体通过角共享、边共享或面共享形成一个被有机阳离子包围的一维纳米线。它们的构型可以是线形的,也可以是锯齿形的,并且分子式随连接方式和选择的有机阳离子的不同而不同。众所周知的激子自陷现象,是由于激子-声子相互作用,并且是严格依赖于晶体系统的维数。在任意激子-声子相互作用强度下,金属卤化物钙钛矿维度降低到一维,结果表明激子更容易产生自陷现象,从而产生很多新奇的现象。压力作为区别于成分以及温度的又一独立的变量,可以很好地调控结构。利用现已成熟的金刚石对顶砧压机技术以及各种实验测试手段对一维钙钛矿进行高压研究,这不仅有助于探索钙钛矿体系结构与其性质之间的内在联系,还有助于为寻找更加优异的新型光电材料提供更好的研究思路。高压下C4N2H14SnBr4的高压荧光光谱、高压紫外-可见吸收光谱以及原位高压同步辐射X射线衍射(ADXRD)实验揭示了一维有机无机杂化钙钛矿C4N2H14SnBr4结构与光学性能的关系。常压下不发光的一维有机无机杂化钙钛矿C4N2H14SnBr4在高压下显示出令人惊奇的现象——压力诱导发光(PIE),并且随着压力增加,发光强度不断增强。在PIE现象发生的压力点处伴随着从单斜相到三斜相的结构相变。自我们课题组提出PIE概念以来,又一体系证实了这一现象,同时压力诱导发光的现象也首次在一维钙钛矿材料中发现,结构的扭曲以及相变的发生导致自陷激子结合能增强,从而产生PIE现象。同样地,第一性原理计算也支持并且为我们理解PIE机理提供了相应的理论依据。本文不仅探索了高压下一维C4N2H14SnBr4钙钛矿的结构与性能之间的关系,也为以后研究低维钙钛矿的性能提供了实验依据,为进一步发展生产性能更优良的光学器件提供了思路。
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