一种新型全无机钙钛矿材料的电子结构与激光特性研究

随着新材料技术的蓬勃发展,多种新型纳米材料已被广泛应用于太阳能电池、发光二极管和微激光等多种光电器件。钙钛矿材料由于带隙可调(3.02-1.77eV)、发光峰窄(半峰宽15-25 nm)、荧光量子效率高(50-90%)、色域广(150%)等优势备受科学家青睐。特别地,2009年Miyasaka课题组首次制备出CH3NH3PbI3钙钛矿高性能太阳能电池,引发了人们对该材料的研究热潮。

然而,纵然有诸多优点,但有机-无机杂化钙钛矿材料不可避免地与水发生反应,导致其在空气中极不稳定,这也是该材料在实际应用中的致命性弱点。为了解决这一难题,人们探索了各种方法,至今仍收效甚微。相对于有机-无机杂化钙钛矿材料,全无机钙钛矿材料不仅拥有优异的光电特性,而且有较高的化学稳定性,被认为是一种更为理想的光电材料。例如, 在全无机钙钛矿(CsPbX3, X=Cl, Br, I)的胶状晶体中观察到了较好的光致发光效应;另一方面,在单光子泵浦时,基于全无机钙钛矿材料的量子点也实现了自发辐射的光放大。因此,全无机钙钛矿在光电器件中将拥有巨大的应用前景。

近期,重庆大学光电工程学院、光电技术及系统教育部重点实验室周苗、唐孝生课题组与中国科学院上海光学精密机械研究所杜鹃研究员合作,利用热注入的方法成功的合成了结晶性好、结构稳定、大小均匀、光电性能可调的新型全无机钙钛矿CsPb2Br5微片。该工作从材料的表征、光学测试以及理论计算等多个方面深入研究了材料的光电性能。通过基于密度泛函理论的第一性原理计算研究,发现这种新型材料是由Cs+与Pb2Br5离子层相互交替而形成的一种类似三明治结构的四方相晶体,其间接能隙为2.44eV,直接能隙为2.52eV,这与实验上通过光致发光测量得到的数据(~530nm)相符。

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此外,该团队利用超快飞秒激光器作为激发光源,设计并搭建了一套新的照明测试系统,利用该系统对CsPb2Br5微片分别进行了单、双光子激发。令人激动的是,实验发现在较低阈值(1.94mJ/cm2)的激发条件下能获得光放大输出,单光子激发下激光发射谱宽可由入射光强度进行调控,双光子激发也实现了稳定线宽的激光输出,这是传统的线性发光材料难以实现的。这种优异的光电特性,与材料独特的三明治几何结构导致的价带/导带带边电子态分布差异息息相关。值得一提的是,与线性发光材料相比,双光子激发产生的激光具有独特的优势,包括穿透深度大、空间分辨率高、对目标样品损伤小,在生物学、医学领域有较好的应用前景。

最后,通过理论计算结合实验的方式对新型全无机钙钛矿材料(CsPb2Br5)进行研究,为今后材料的探索和设计提供了崭新的思路,并为新材料在太阳能电池、发光二极管和微激光等光电器件中的实际应用与发展提供了指导。相关论文在线发表在Advanced Optical Materials(DOI:10.1002/adom.201600788)上,并于当期Back Cover做简要介绍。