Advanced Functional Materials:基于双钙钛矿半导体合金的能带工程设计具有共格界面的高效率、宽光谱发光材料

半导体合金的带隙可通过组分进行调控,因此,基于不同组分的半导体合金可以构建超晶格和量子阱等各种异质结构,实现能带工程设计,满足各类电子器件和光电器件的需要。自上世纪60年代以后,基于传统III-V族和II-VI族半导体合金构建的异质结构器件在众多领域被广泛应用,但是,这些传统半导体合金的晶格常数往往随着带隙的增大而减小,因此,不同带隙的合金之间往往晶格常数相差较大,构建的异质结构的界面处有严重的晶格失配,形成的非共格界面存在悬挂键和界面态,制约了能带工程设计和器件性能优化。如果能寻找到带隙差别大、但晶格常数差别小的半导体,并且二者混合能形成带隙连续可调而晶格常数保持不变的合金,那么,就可以构建出具有共格界面(coherent interface)的半导体异质结构,进行非常有弹性的能带工程设计。

最近在线发表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202000653)上的论文发现,大量的双钙钛矿结构卤化物半导体为构建具有共格界面的半导体异质结构提供了可能,通过能带工程可以设计出一类潜在的高效率、宽光谱的发光材料。其中的计算表明:双钙钛矿结构的四元半导体Cs2NaBiBr6和Cs2AgBiBr6晶格失配小而带隙差别大,具有I型的带阶,并且极易形成互溶度高的Cs2(Na, Ag)BiBr6合金。通过控制其合金的Ag组分比例,带隙可以从1.93 eV调控到3.24 eV,而合金的晶格常数可以基本维持不变,非常适宜于构建具有各种能带特性的异质结构。同时,由于Na和Ag的无序性打破了理想双钙钛矿结构的高对称性,Cs2(NaxAg1-x)BiBr6合金的带隙变为直接带隙,合金的无序性激活了价带带边和导带带边之间的直接跃迁,打破了跃迁禁阻,从而能表现出良好的光吸收和发光特性。通过将高Ag组分但窄带隙的Cs2(Na, Ag)BiBr6合金(类似于量子点)嵌入到高Na组分但宽带隙的合金,可以构建出共格的晶体点阵(coherent crystalline matrix),设计出高量子产率和宽光谱的发光材料。一方面,点阵内部的界面都是共格的,不会产生内部的界面态,避免了激子的非辐射复合,而I型的能带排布可以促使激子转移到窄带隙的合金量子点内,形成高效率的发光中心。另一方面,通过控制发光量子点中窄带隙合金的Ag组分含量,其带隙可以进行大范围调控,因此,其发光颜色可调。通过在共格点阵内嵌套不同带隙的量子点,可以形成不同颜色的发光中心,从而实现宽光谱的发光。

由于双钙钛矿结构卤化物半导体种类众多,不仅Cs2NaBiBr6和Cs2AgBiBr6具有晶格失配小而带隙差别大、可形成高度互溶合金的优势,还有很多双钙钛矿结构卤化物半导体也具有这一优势。至少存在四个潜在的合金体系(Cs2AgInCl6 / Cs2LiYCl6,Cs2AgYCl6 / Cs2AgSbCl6,Cs2AgYCl6 / Cs2AgBiCl6和Cs2NaInBr6 / Cs2AgInBr6),也可以形成这种高量子产率和宽光谱的共格发光点阵。

这一工作展现了种类众多的双钙钛矿结构卤化物半导体在构建共格的半导体异质结构、实现非常有弹性的能带工程设计方面的独特优势。