二维钙钛矿中超快激子解离动力学新机制

二维钙钛矿作为一类天然量子阱材料，其中钙钛矿八面体结构单元以二维共顶点的方式连接组成平面，并与长链有机配体形成夹层“三明治”结构。由于在晶体结构中引入了疏水有机配体，二维钙钛矿对湿度的稳定性大幅提高。然而，由于量子和介电限域效应，其激子结合能相比于传统的三维钙钛矿大幅提高，达到数百毫电子伏特。因此，此前传统观点认为二维钙钛矿中光生载流子主要以激子的形式存在，在室温下难以解离形成自由载流子，从而推测二维钙钛矿更适合应用于显示和发光器件，而非太阳能电池等光伏器件。

中国科学院大连化物所金盛烨（点击查看介绍）研究团队通过超快时间分辨光谱学技术首次直接观测到二维钙钛矿中快速、高效的动态激子解离过程，并由此提出论证了由极化子屏蔽效应诱导的激子解离新机制。在本工作中，该团队通过飞秒上转换荧光光谱和瞬态吸收光谱首次直接观测到室温下 (PEA)₂(MA)_n-1Pb_nI_3n+1  (n ≥ 2) 二维钙钛矿中的快速（< 1.4 ps）、高效（> 80%）的动态激子解离过程，证明二维钙钛矿中载流子在平衡状态下主要以自由载流子的形式存在。这与此前报道的通过稳态吸收光谱等技术得出的较高激子结合能存在较大差异。该团队进一步通过低温光谱学等手段，提出了由激子-极化子形成而诱导的激子解离机理：激子通过与声子之间强的耦合作用形成激子-极化子，由于极化子的屏蔽作用大幅削弱电子-空穴间的库伦作用力，使激发态激子结合能显著降低，从而促进激子的快速解离。并进一步证明了激子离解以及后续的自由载流子非辐射复合过程是限制二维钙钛矿荧光量子效率的主要因素。

该发现揭示了二维钙钛矿材料中可能普遍存在的极化激子解离特性，为二维钙钛矿材料在光伏和光电探测等器件中的应用提供了理论指导。这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society上，文章的第一作者是中科院大连化物所已毕业博士孙祺和赵春一。

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Ultrafast and High-Yield Polaronic Exciton Dissociation in Two-Dimensional Perovskites

Qi Sun, Chunyi Zhao, Zixi Yin, Shiping Wang, Jing Leng, Wenming Tian*, and Shengye Jin*

J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 19128–19136, DOI: 10.1021/jacs.1c08900

金盛烨研究员简介

金盛烨，中科院大连化学物理研究所研究员。2013年12月加入中科院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室，任超快时间分辨光谱和动力学研究组组长。主要从事超快光谱谱学新方法和材料超快动力学等方面研究工作，独特之处在于以时间分辨光谱检测技术为基础，通过系统性动力学检测和解析为光电材料在太阳能电池、光催化和微纳光子器件等领域的应用提供载流子动力学层面的理解。近五年，在JACS, Angew. Chem., ACS Energy Lett.等期刊发表论文50余篇。承担了国家杰出青年科学基金和科技部国家重点研发计划等项目。

https://www.x-mol.com/university/faculty/22683