近日，中國科學院大連化學物理研究所超快時間分辨光譜與動力學研究組研究員金盛燁團隊在二維鈣鈦礦層間電子傳輸動力學研究方面取得新進展，提出并論證了二維層狀鈣鈦礦中俄歇輔助的電子跨有機層傳輸?shù)男聶C制。
二維（2D）鈣鈦礦是由無機層—有機層交替排列形成的多量子阱（QW）材料，由于其帶隙可調節(jié)，環(huán)境穩(wěn)定性好、制備簡單、光電性能出色，在許多光電應用中展現(xiàn)出較大潛力。然而，由于2D鈣鈦礦中不同無機層QW之間的有機層（絕緣配體）會引入一個較高的能壘，使得光生激子完全被限制在鈣鈦礦QW平面內，從而難以實現(xiàn)載流子的跨層（一個QW到另一個QW）遷移，這極大地限制了2D鈣鈦礦在光電領域的更廣泛的應用。
大連化物所揭示二維層狀鈣鈦礦中俄歇輔助的層間電子轉移新機制
在本工作中，該團隊發(fā)現(xiàn)當激子帶邊能量（Eg）與電子能壘（Eb）相近時，理論上電子可通過俄歇過程來獲得足夠的能量以越過有機層的能壘，從而實現(xiàn)不同鈣鈦礦層之間的傳輸。為此，該研究團隊利用瞬態(tài)吸收光譜技術，并對所合成的一系列具有不同有機配體的2D鈣鈦礦單晶（CmH2m+1NH3)2PbI4（m=8，10，12，18）進行了光誘導載流子動力學研究。研究發(fā)現(xiàn)，在m≥12的2D鈣鈦礦單晶（Eg≈Eb）中，當激發(fā)強度超過某個值（即出現(xiàn)俄歇復合過程）時，可在其瞬態(tài)吸收光譜及載流子動力學上觀察到一個清晰的長壽命的電荷分離態(tài)信號，而在m≤10的2D鈣鈦礦單晶（Eg<Eb）中并未觀察到。該工作首次提出并從實驗上證實了2D鈣鈦礦單晶中俄歇輔助的電子跨層傳輸機制，拓展了對2D鈣鈦礦材料中載流子跨層傳輸?shù)恼J識，對未來2D鈣鈦礦材料的設計具有重要指導意義。
在2D鈣鈦礦的載流子動力學研究工作中，該團隊此前曾在2D層狀鈣鈦礦薄膜內部觀測到光誘導的電子和空穴在垂直基底方向上發(fā)生的自發(fā)性電荷分離現(xiàn)象（J. Am. Chem. Soc., 2017）；實現(xiàn)了2D層狀鈣鈦礦中的邊界態(tài)調控（J. Phys. Chem. Lett., 2019）；發(fā)現(xiàn)并提出了通過缺陷態(tài)誘導的激子解離來實現(xiàn)二維鈣鈦礦平面內長距離的載流子傳輸新機制（J. Am. Chem. Soc.，2020）。
相關研究成果于近期以題為“Auger-Assisted Electron Transfer between Adjacent Quantum Wells in Two-Dimensional Layered Perovskites”發(fā)表在《美國化學會志》（J. Am. Chem. Soc.）上。該工作的第一作者是大連化物所超快時間分辨光譜與動力學研究組2017級博士生尹子夕。上述工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃“納米科技”重點專項、青年創(chuàng)新促進會和中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（B）“能源化學轉化的本質與調控”等項目的支持。
