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學術報道

物科院甘志星副教授在帶隙梯度分布半導體異質結方面的研究取得重要進展

近期,甘志星副教授在帶隙梯度分布半導體異質結的能量漏斗效應方面研究取得重要進展,發展了一種光譜測試方法,可以用于區分能量漏斗效應過程中的載流子轉移和能量共振轉移機制。研究結果以"Efficient Energy Funnelling by Engineering the Bandgap of a Perovskite: F?rster Resonance Energy Transfer or Charge Transfer?"為題發表于The Journal of Physical Chemistry Letters。The Journal of Physical Chemistry Letters是物理化學研究領域權威期刊之一,也是入選自然指數(Nature Index)統計源的全球82本頂級期刊之一。

在帶隙梯度分布半導體異質結中,載流子所處的勢能環境形似一個漏斗,因而會自主的從寬帶隙的成分過渡到窄帶隙的成分。利用這種漏斗效應不僅可以實現載流子的定向轉移,還可以大幅提高載流子在半導體異質結中的轉移效率,因此,在光電器件和能源器件中具有重要應用前景。然而目前為止,研究界對于能量漏斗效應機制的認識仍有較大的爭議和疑問:能量從寬帶隙到窄帶隙的過渡是通過載流子的擴散/漂移(Charge transfer)還是通過能量的共振轉移(Energy transfer)實現的?

甘志星副教授及合作者假設載流子的擴散/漂移是能量漏斗效應的主要機制,他們從載流子分布的連續性方程出發,發現當連續(Continuous wave)光激發寬帶隙成分時,載流子可以通過擴散/漂移順利進入窄帶隙成分,因而可以同時探測到寬、窄兩種帶隙對應的光致發光峰。而激發光源為脈沖(Pulsed)激光時,由于載流子的擴散長度有限,滿足一定條件時,載流子并不能通過擴散/漂移方式進入窄帶隙成分,因而不能觀察到窄帶隙成分對應的光致發光峰。如果假設能量共振轉移是漏斗效應的主要機制時,則不論激發光源是連續還是脈沖,能量共振轉移總會發生,作為受體的窄帶隙發光就總能被探測到。根據以上分析,他們提出了可以通過比較連續和脈沖條件激發的發光譜來區分能量漏斗效應過程中的載流子轉移和能量共振轉移。

為了證實這種光譜方法的可靠性,他們利用兩步化學氣相沉積方法制備了在厚度方向上帶隙梯度分布的鈣鈦礦微米片,其上表面為FAPbBr3,底部為FAPbI3,而中間層為FAPb(BrxI1?x)3,對應的帶隙從2.34 eV逐漸減小到1.7eV,成功獲得能帶結構形如漏斗的半導體異質結。這種特殊鈣鈦礦微米片,在脈沖激光激發時,主要可以觀察到530 nm的熒光峰,說明只有表面的FAPbBr3被激發。而當激發光源為連續激光時,除了表面FAPbBr3的530 nm的熒光峰以外,底部FAPbI3對應的730 nm的熒光峰也可以觀察到,說明載流子順利地轉移到了底部FAPbI3。連續和脈沖激光激發時表現出來的不同光譜特征與載流子分布連續性方程分析的結果非常吻合,說明這種鈣鈦礦微米片中的能量漏斗效應主要是通過電荷轉移實現的。該實驗也證實了比較連續和脈沖條件激發的發光譜是一種研究能量漏斗效應機制的有效方法,為設計帶隙梯度分布的半導體異質結和高性能光電器件提供重要指導。

南京師范大學甘志星副教授為該論文的第一作者和通訊作者,南京師范大學為第一單位。澳大利亞斯威本科技大學賈寶華教授、文小明研究員為論文的共同通訊作者。值得一提的是,甘志星副教授及合作者在帶隙梯度分布的鈣鈦礦微米片完成了一系列的工作[Advanced Optical Materials 2018, 6 (24), 1801107; ACS Applied Materials & Interfaces 2019, 11 (29), 26017-26023],特別是發展了一種飛秒激光直寫技術對這種特殊的鈣鈦礦微米片進行加工和圖形化,在微納尺度實現了帶隙和發光頻率的調控。激光直寫是一種非常重要的微加工技術,具備加工精度高、速度快、成本低等優勢,可以非常靈活地獲得不同的微納圖案,在光電信息集成方面有重要的應用前景,該工作為鈣鈦礦的微納加工提供了更多選擇。

相關鏈接:

Z Gan*, W Chen, C Zhou, L Yu, L Dong, B Jia*, X Wen*, Efficient Energy Funnelling by Engineering the Bandgap of a Perovskite: F?rster Resonance Energy Transfer or Charge Transfer?

The Journal of Physical Chemistry Letters 2020, 11, 5963–5971.

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.0c01860

C Zhou, G Cao,Z Gan*, Q Ou, W Chen, Q Bao, B Jia*, X Wen*, Spatially Modulating the Fluorescence Color of Mixed-Halide Perovskite Nanoplatelets through Direct Femtosecond Laser Writing. ACS Applied Materials & Interfaces 2019, 11 (29), 26017-26023.

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b07708

C Zhou, Q Ou, W Chen,Z Gan, J Wang, Q Bao, X Wen*, B Jia*, Illumination‐Induced Halide Segregation in Gradient Bandgap Mixed‐Halide Perovskite Nanoplatelets, Advanced Optical Materials 2018, 6 (24), 1801107.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.201801107

  • 更新時間

    2020年08月04日 15:43

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    物科院

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