探索压力调控策略：优化<110>型二维有机-无机铅卤素钙钛矿的光电性能
在光伏、发光显示及光电探测等前沿科技领域，二维有机-无机铅卤素钙钛矿因其独特的光电特性而备受瞩目。然而，传统<100>结构的二维钙钛矿受限于较大的层间距，导致载流子在纵向上的传输效率受限。与之相比，<110>结构的二维钙钛矿凭借紧凑的层间距，展现出了更为出色的载流子传输性能。然而，其固有的结构特性，如八面体倾斜，却引发了强烈的电子-声子耦合效应，进而产生自陷激子（STEs），这对载流子的传输构成了不利影响。
为了克服这一挑战，中国科学院大连化学物理研究所的金盛烨研究员与田文明研究员团队，通过创新的压力调控手段，对<110>型二维钙钛矿(API)PbBr4的晶体结构进行了精细调控。这一策略成功地抑制了(API)PbBr4中自由激子（FEs）向STEs的转变，并实现了激子迁移率的显著提升，达到了93.6 cm² V⁻¹ s⁻¹的惊人水平。这一超快的激子传输特性，为二维钙钛矿(API)PbBr4在紫外光响应方面的性能带来了显著提升，同时也为其在高效光电器件中的应用开辟了广阔前景。
研究团队首先利用原位XRD表征技术，深入探究了不同压力下(API)PbBr4晶体的结构演变。结果显示，在2.7 GPa的压力下，(API)PbBr4经历了一次等结构相变。在2.7 GPa之前，压缩主要影响[PbBr₆]⁴⁻八面体的相对空间排列，晶体呈现出各向异性的压缩特性。而当压力超过2.7 GPa后，压缩则主要作用于[PbBr₆]⁴⁻八面体的内部结构，加剧了八面体的畸变程度，此时晶体表现出各向同性的压缩特性。
为了更全面地理解压力对二维钙钛矿(API)PbBr4光电性能的影响，研究团队还利用自主开发的时间分辨荧光扫描成像系统，对不同压力下的(API)PbBr4单晶进行了系统的光致发光及载流子传输性能研究。结果表明，随着压力的增加，(API)PbBr4的STEs发光逐渐减弱，而FEs发光则先增强后减弱。这一现象表明，压力能够有效地抑制(API)PbBr4中FEs向STEs的转变。
进一步的荧光成像结果显示，(API)PbBr4中FEs的迁移率随着压力的增加而不断提升，并在2.7 GPa时达到了最大值93.6 cm² V⁻¹ s⁻¹，这一数值与三维钙钛矿中的载流子迁移率相当。同时，由于(API)PbBr4中无机层的波纹结构，其在无机平面内展现出了各向异性的激子迁移特性。当压力达到2.7 GPa时，最大和最小方向上的激子迁移率分别为93.6 cm² V⁻¹ s⁻¹和18.8 cm² V⁻¹ s⁻¹，各向异性之比为4.97。
综上所述，本研究通过创新的压力调控策略，成功优化了<110>型二维有机-无机铅卤素钙钛矿(API)PbBr4的光电性能。这一发现不仅为二维钙钛矿的载流子传输性能提升提供了新的思路，也为高效光电器件的研发奠定了坚实的基础。
Enhanced UV Light Responsivity in <110>-Oriented 2D Perovskites Realized by Pressure-induced Ultrafast Exciton Transport
Yanfeng Yin#, Xianchang Yan#, Hui Luo, Yongfu Liang, Peng Xu, Yiming Wang, Shengye Jin and Wenming Tian*
Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202418587
