高压下铜基卤化物钙钛矿的结构与光学性质研究

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金属卤化物钙钛矿具有优异的光电性能,比如,合适的直接带隙、较强的荧光量子效率、超长光生载流子扩散长度和寿命、较高的载流子迁移率、较5=高光吸收系数等,在太阳能电池、激光器和光电探测器等领域极具应用潜力,备受人们的青睐。然而,传统三维卤素钙钛矿稳定性和毒性问题一直令人诟病。低维卤素钙钛矿因其结构多样性、稳定性高,逐渐受到科学界的广泛关注。而低维铜基卤化物钙钛矿极大地避免了铅毒性问题,是一类极具应用前景的环境友好型光电材料。压力是独立于化学组分、温度的基本热力学参量,可以在不改变物质组分的情况下,能够通过压缩原子/分子间距改变其电子结构,从而改变其内部的能量状态,有效且直接地改变材料的结构与物性。高压科学作为一门快速发展且以实验为基础的学科,通过研究在不同压力下物质的状态、结构以及各种理化性质,进而探索材料的构效关系。低维金属卤化物钙钛矿因其低维电子态强限域效应以及强的电声耦合,在其无机骨架中形成了稳定的自陷激子,从而赋予材料独特的自陷发光性质。因此,通过调节结构扭曲度,可以调控自陷态激子(STEs)稳定复合发光,使材料具有最佳的光物理响应。我们利用压力工程,在铜基卤化物钙钛矿中实现了优异光电性能的调控。首先,我们在2D卤化铜钙钛矿实现了带隙调控。高压下PEA2Cu Cl4带隙从2.60 e V减小到1.77 e V,更接近光伏应用的Shockley-Queisser极限。带隙变窄主要由于高压下独特的二维层状结构变化。加压时,有机层先被压缩,与此同时Cu-Cl键长和Cl-Cu-Cl键角逐渐减小,使得[Cu Cl4]2-无机八面体畸变,从而调控导带底和价带顶的轨道耦合,实现带隙的有效调控。其次,我们通过调控卤化物四面体扭曲度,在1D铜基卤化物Rb2Cu Cl3材料中实现了压力诱导发光。其物理机制是:通过压力压缩卤化物四面体,减弱了电声耦合作用,减小了激发态和基态波函数的重叠,抑制了非辐射跃迁过程,促进了辐射跃迁过程,对研究低维无铅金属卤化物钙钛矿发光具有极其重要的指导意义。通过本论文研究发现,利用压力工程调节金属卤化物钙钛矿的结构扭曲度,可使其光电性能最优化。
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