发光领域的突破：层状混合钙钛矿

来自 实验室仪器网

近日，层状混合钙钛矿材料在发光领域取得了重大突破。钙钛矿材料因其优异的光电性能而受到广泛关注，尤其是在光伏、发光二极管（LED）和激光器等应用中。层状混合钙钛矿的最新研究展现了其在可调谐发光和高效率发光设备中的潜力。

北卡罗来纳州立大学的研究人员开发出一种方法，可以在层状混合钙钛矿(LHP)中精确控制原子级电荷转化为光。这项突破性成果发表在《Matter》杂志上，可能有助于设计光伏设备材料以及下一代印刷LED和激光器。

钙钛矿以其优越的光学、电子和量子特性而闻名，具有晶体结构。LHP由超薄钙钛矿半导体片组成，这些片之间由有机“间隔”层隔开。这些LHP可以沉积为具有多个片的薄膜，使其适用于各种应用。

这些材料能够高效地将电荷转化为光，因此在光子集成电路、激光器和下一代LED中具有极高的前景。然而，尽管人们对LHP的兴趣由来已久，但对于如何设计这些材料以有效控制其性能特征的了解却十分有限。

为了解决这个问题，研究人员专注于量子阱（放置在间隔层之间的半导体片），为理解如何操纵和优化这些材料以提高性能奠定了基础。此外，由于能量在分子水平上从高能结构移动到低能结构，了解量子阱的尺寸分布至关重要。

Amassian补充道：“但是研究LHP的人们不断遇到一个异常现象：可以通过X射线衍射检测到的LHP样本中的量子阱尺寸分布与可以使用光谱检测到的量子阱尺寸分布不同。”

“例如，衍射可能会告诉你量子阱有两个原子厚，并且存在三维块体晶体。但光谱学可能会告诉你量子阱有两个原子、三个原子和四个原子厚，以及3D块体相。所以，我们的第一个问题是：为什么我们看到X射线衍射和光谱之间存在这种根本性的脱节？我们的第二个问题是：我们如何控制LHP中量子阱的大小和分布？”Amassian补充道。

经过多次实验，研究人员发现纳米血小板对于回答这两个问题都至关重要。

“纳米片是钙钛矿材料的单片，形成于我们用来制造LHP的溶液表面。我们发现这些纳米片本质上充当了其下方形成的层状材料的模板。因此，如果纳米片有两个原子厚，则其下方的LHP会形成一系列两个原子厚的量子阱，”Amassian指出。

“然而，纳米片本身并不稳定，就像LHP材料的其他部分一样。相反，纳米片的厚度不断增加，随着时间的推移，增加新的原子层。因此，当纳米片有三个原子厚时，它会形成三原子量子阱，依此类推。最终，纳米片会变得非常厚，成为三维晶体，”Amassian补充道。

这一发现也解决了长期存在的难题：为什么X射线衍射和光学光谱法会得出不同的结果：光学光谱法检测到的是孤立的薄片，而衍射法检测到的是薄片的堆叠，这意味着它检测不到纳米片。

Amassian表示：“令人兴奋的是，我们发现我们可以以受控的方式基本上停止纳米片的生长，从而基本上调整LHP薄膜中量子阱的大小和分布。通过控制量子阱的大小和排列，我们可以实现出色的能量级联-这意味着该材料能够高效快速地汇集电荷和能量，以用于激光和LED应用。”

在发现纳米片在LHP中钙钛矿层形成中的重要性后，研究人员决定研究纳米片是否可用于设计其他钙钛矿材料的结构和特性，例如用于在太阳能电池和其他光伏技术中将光转化为电能的材料。

随着研究的深入，层状混合钙钛矿材料的性能有望进一步提升，未来可能会在更多的商业应用中崭露头角。科学家们也在探索与其他材料的复合以及更环保的合成方法，推动可持续发展。

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