ACS Nano: 皮秒級超快光電流技術揭示鈣鈦礦納米晶的載流子傳輸機制

【導讀】

金屬鹵化物鈣鈦礦納米晶材料不僅在發光應用方面具備優異的性能，而且已在光伏、探測器、催化等應用領域展現出巨大的潛力。在基礎研究方面，鈣鈦礦納米晶材料因其明顯的尺寸效應表現出獨特的物化性質，亦引起了研究者們極大的興趣。尤其是我們一直對傳統的光伏材料（例如硅和砷化鎵）和新興的鈣鈦礦材料在載流子傳輸性質上的眾多差異還未可知。因此，深度剖析鈣鈦礦納米晶的早期或瞬態載流子漂移（傳輸）行為，揭示其獨特的載流子聲子散射、復合及缺陷捕獲等動力學機制，對材料基礎研究及其相應的光電器件應用都至關重要。然而，基于目前相對較為成熟的時間分辨光譜技術，尚無法實現在皮秒量級并以直接檢測載流子的方式對其動力學進行探究。

【成果掠影】

近日，加拿大Brock University的Jianbo Gao教授課題組聯合美國NREL和LBNL等國家實驗室、Clemson University、Brown University、The University of Alabama等多個國際單位，以及華中科技大學、南開大學和吉林大學等多個國內單位，應用了一種分辨率小于25皮秒的超快光電流光譜儀技術，并且對CsPbl₃納米晶的載流子動力學機制進行了深度且更接近于器件真實應用場景下的分析。利用此超快光電流光譜儀技術，可得出CsPbl₃納米晶的載流子傳輸在25 ps內為載流子-聲子散射主導的類帶狀傳輸，而非極化子的跳躍傳輸；在25ps至125ps，為由缺陷和聲子散射共同主導的傳輸；在125ps后，主要為缺陷捕獲-再釋放的輸運機制。其中，載流子-聲子散射主導的類帶狀傳輸也可在傳統材料Si和GaAs中觀察到。根據超快光電流譜圖，可分析計算得出CsPbl₃納米晶薄膜的載流子遷移率、傳輸活化能、擴散長度和壽命等信息。并且，通過計算得出的載流子遷移率與溫度的關系， I_peak∝T^-n，可獲得標準化參數n（理論上不會隨著測試方法而改變），其n值可反映出聲子與載流子的相互作用強弱。

在240K至380 K溫度區間內，CsPbI₃納米晶體的n值為~2.72，遠高于相應塊狀體材料的0.92，也高于Si 材料的1.77和GaAs材料的2.56。這意味著CsPbI₃納米晶具有最高的載流子與聲子作用強度，其原因或與鈣鈦礦陽離子與鹵素陰離子化學鍵長度、配位鍵數量和表面配體相關。此外，對不同溫度下CsPbI₃納米晶的PL光譜和FWHM分析可同樣得出其載流子與光學聲子間的強相互作用。相關研究以“Ultrafast Carrier Drift Transport Dynamics in CsPbI₃ Perovskite Nanocrystalline Thin Films”發表于ACS Nano上

第一作者：Kanishka Kobbekaduwa博士、劉娥賢博士、趙乾博士

通訊作者：Jianbo Gao教授

通訊單位：Brock University

【核心創新點】

（1）應用了一種先進的皮秒級超快光電流光譜儀技術

（2）揭示CsPbI₃鈣鈦礦納米晶的載流子傳輸為光聲子作用主導的類帶狀傳輸（band-like transport），而非之前報道的極化子跳躍傳輸（hopping transport）

（3）與其他材料相比，CsPbI₃鈣鈦礦納米晶具有最強的載流子-聲子相互作用

【數據概覽】

圖1 a, CsPbI₃納米晶結構與形貌; b, 皮秒級超快光電流光譜儀原理示意圖

圖2不同溫度下CsPbI₃納米晶（a,b）、GaAs（c,d）和Si（e,f）光伏材料的超快光電流譜圖

圖3 CsPbI₃納米晶與其他光伏材料如CsPbI₃ bulks、Si、GaAs、FAPbI₃及MAPbI₃等關于載流子遷移率和可反映載流子-聲子作用的標準化參數n值的對比圖

圖4 不同溫度下CsPbI₃納米晶的PL譜圖（a）及相應的FWHM分析（b）

【成果啟示】

綜上，在皮秒級分辨率下檢測并分析得出，在不同時間區間內CsPbI₃納米晶表現出不同的載流子傳輸機制。而且，利用此皮秒級超快光電流光譜儀技術，不僅可對材料的載流子動力學進行詳盡分析，而且可準確計算出更接近真實光電器件應用下的材料物化參數。此研究工作是對CsPbI₃納米晶材料及其他鈣鈦礦材料載流子動力學的深入理解，更為光電材料的超快載流子動力學及其物化性質表征提供了嶄新的平臺，并對提高器件的光電性能策略提供了一定的指導意義。

原文詳情：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c03989

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