二維（2D）有機無機雜化鈣鈦礦半導體量子阱材料是在三維（3D）鈣鈦礦晶格中插入長鏈有機鹵化胺配體形成的。2D鈣鈦礦具有柔性結構、大的激子結合能、易調(diào)諧帶隙，以及顯著提高的耐濕性等獨特性質(zhì)，在光電和量子器件應用領域得到廣泛關注。以往研究普遍認為，2D鈣鈦礦中載流子以激子形式存在，受到激子壽命和遷移率的限制，其激子遷移距離只有數(shù)百納米，比3D鈣鈦礦材料小一個量級以上?；谖墨I中報道的載流子輸運特性，在依賴于載流子長距離輸運器件應用方面，2D鈣鈦礦可能無法與3D鈣鈦礦和其他傳統(tǒng)半導體量子阱材料相媲美。

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量子阱材料中載流子動力學研究工作中取得進展，發(fā)現(xiàn)突破激子遷移極限的長距離載流子輸運現(xiàn)象。

該團隊應用建立的動力學可視化新方法首次觀測到2D鈣鈦礦單晶PEA2MAn-1PbnI3n+1（n=2~4）中突破激子遷移極限的長距離載流子輸運現(xiàn)象，其遷移距離可達2~5μm。采用共聚焦定點激發(fā)2D鈣鈦礦單晶，通過熒光掃描動力學成像觀測到距離激發(fā)點一定距離的低能態(tài)“邊界態(tài)”發(fā)光，邊界態(tài)發(fā)光動力學具有明顯的距離依賴性。結合溫度等實驗，提出了缺陷態(tài)輔助的長距離載流子輸運新機理，認為這種長距離載流子輸運是通過缺陷輔助的激子解離形成長壽命和不發(fā)光的電子空穴分離態(tài)實現(xiàn)的。通過動力學模型擬合，獲得了不同層數(shù)（n值）2D鈣鈦礦單晶中的載流子遷移動力學參數(shù)。這種獨特的性質(zhì)使2D鈣鈦礦在載流子傳輸性能方面可與3D鈣鈦礦和其他傳統(tǒng)半導體相媲美，研究結果改變了對二維材料中載流子傳輸距離短的認知，表明其在高效能量/電荷輸運領域具有應用前景。

相關成果發(fā)表在《美國化學會志》上。研究得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院青年創(chuàng)新促進會和中科院戰(zhàn)略性先導科技專項等項目的支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.0c06572