CSR：金属卤化物钙钛矿中的稳态和瞬态吸收光谱
大家好，今天给大家分享的是CSR上的文章“Steady state and transient absorption spectroscopy in metal halide perovskites”
【摘要】
金属卤化物钙钛矿 (MHP) 因其优异的光电特性以及从光伏到光子学的广泛应用而成为最有前途的材料。吸收光谱法为 MHP 的载流子动力学提供了广泛而深入的见解，是荧光和散射光谱法的重要补充。然而，吸收光谱法经常被误解或低估，被视为仅是紫外可见光谱法，这可能导致各种误解。事实上，吸收光谱法是光谱技术（包括荧光和散射在内的其他技术）最重要的分支之一，在理解 MHP 的电子结构和光电动力学方面起着关键作用。在本教程中，总结了各种吸收光谱法的基本原理及其在 MHP 材料和器件中的最新发展和应用，涵盖了稳态和瞬态吸收光谱法的全面进展。鉴于吸收光谱在指导 MHP 不同光电应用设计方面的重要意义，本教程将全面讨论吸收光谱，涵盖从光学到太赫兹 (THz) 和微波的波长，以及从飞秒到数小时的时间尺度，并特别关注光照偏差下的时间相关稳态和瞬态吸收光谱以研究 MHP 材料和器件，使研究人员能够选择合适的表征技术。
学习要点
1. 讨论各种形式的吸收光谱的原理，包括稳态和瞬态，重点介绍它们在理解和推进 MHP 到其当前状态方面的应用。
2. 总结在 MHP 研究中经常发生的吸收光谱的严重错误和误解，这些错误和误解在文献中被忽视了。讨论了获得可靠结果所需的潜在校正策略和预防措施。
3. 涵盖各种瞬态吸收技术，针对不同的物理过程使用不同的探测波长，针对从飞秒到小时的时间尺度使用不同的时间分辨率，以及它们在研究 MHP 材料和设备时的潜在物理意义。
4. 展示稳态和瞬态吸收光谱技术可用于了解材料设计和性能之间相关性的多种方式。
5. 提供一种新方法来开发吸收光谱，以探测 MHP 在毫秒到几小时的时间尺度上的离子影响，旨在为照明偏差下的时间相关吸收光谱提供设计策略。
【结论】
本教程系统地讨论了与吸收光谱相关的各种表征技术以及它们在理解 MHP 基本原理方面的发展。随着不同形式的稳态和瞬态吸收光谱中丰富的吸收光谱技术的引入，我们讨论了光生载流子的产生、传输、复合和提取动力学。在简要介绍每种方法的原理之后，我们讨论了研究 MHP 的代表性成果，重点关注载流子的迁移率、寿命、扩散长度和其他因素，以了解 MHP 中潜在的电荷载流子动力学。从 MHP 光物理研究中的应用、优势和局限性方面，突出了各种表征技术之间的差异。这种全面的分类有助于研究人员了解影响 MHP 实际应用的关键因素以及吸收光谱在理解这些因素中的作用。虽然有各种各样的表征技术可用于将 MHP 材料的吸收响应与其固有特性相关联，但报告结果之间仍然存在差异和误解。迄今为止，稳态吸收光谱作为一种光度测定技术已经得到了很好的发展。然而，测量或数据解释过程中可能会出现错误。对于卤化物钙钛矿，尤其是固态样品，由于表面粗糙和厚度较大而产生的散射可能会导致测量错误和解释错误。
在这里，我们讨论了这些伪影的来源，这些伪影可能源于样品尺寸、理论假设和测量设计，所有这些都会影响收集的 MHP 吸收相关响应的准确性。对于瞬态吸收光谱，TA、THz 和微波电导率等技术可以应用于不同的时间窗口和分辨率，以获取动态信息。我们还注意到，由于每次测量所需的时间窗口和激发水平不同，这些吸收技术对样品激发和载流子电荷传输过程中的特定过程很敏感。为了捕捉从几秒到几小时的时间尺度上发生的超慢变化，时间相关技术至关重要。
由于卤化物钙钛矿具有软晶格和混合离子电子传导，因此会在几秒到几小时的时间尺度上表现出由照明和电场引起的变化。换句话说，它们的光电特性在连续照明、电场或操作条件下表现出超慢变化。这种变化对传统的超快和时间分辨光谱技术提出了重大挑战。虽然超快和时间分辨光谱技术（例如通过上转换的飞秒 (fs) 时间分辨荧光、fs 瞬态吸收、通过时间相关单光子计数的时间分辨 PL 以及时间分辨的 THz 和微波电导率）可以捕捉到从光子入射到能量耗尽的 ps、ns 或 ms 时间尺度上的能量耗尽周期，但测量结果实际上代表了大量周期的平均值。需要强调的是，在激发（TRPL）或泵浦（TA）过程中，样品的光电特性可能会发生变化，这表明获得的载流子寿命或声子相关衰减信息代表测量期间的平均值，而不是任何给定时间的值。 换句话说，获得的数据不能代表特定时间点的属性。 因此，必须特别注意数据的解释。 了解与样品条件和表征原理相关的关键因素对于生成可靠的结果至关重要，而这些结果对于有效设计新的 MHP 应用至关重要。
进一步开发上述原位吸收光谱技术可能会在揭示 MHP 的基本特性和隐藏潜力方面取得重大突破。为了准确捕捉光电特性随照明时间的变化，开发时间相关技术至关重要。然而，这仍然是一项具有挑战性的任务，因为具有合理信噪比的时间分辨 PL 或 TA 测量目前需要时间扫描（使用平移台）或几分钟的积分时间（如 TCSPC）。因此，在解释时间分辨数据时必须考虑平均效应。此外，在运行条件下监测完整设备配置中的 MHP 可以为进一步研究提供宝贵的基础。尽管各种吸收光谱技术已经提供了宝贵的见解，但进一步开发和认可这些方法对于建立对 MHP 特征的统一理解至关重要。这种理解将有助于优化目标设备中 MHP 的性能并加速现有 MHP 的改进。
总而言之，本教程文章是首批总结 MHP 材料光吸收研究最新进展的文章之一。它旨在分析 MHP 的关键特性，了解影响其在特定应用中性能的因素，并确定每种方法在推进对 MHP 的根本理解方面的优缺点。
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原文DOI：10.1039/d4cs00985a
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