金屬鹵化物鈣鈦礦作為一種新興半導(dǎo)體材料，由于其溶液可加工特性及優(yōu)異的光電性質(zhì)，在太陽能電池、光探測器、發(fā)光二極管和激光器等光子學和光電子學領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用。其中高輻射復(fù)合效率是構(gòu)筑高性能光電器件的重要指標，因而增強輻射躍遷復(fù)合代表了一種提高鈣鈦礦輻射效率以及光電性能的最為直接有效的策略，同時也極具挑戰(zhàn)性。
近日，德國萊布尼茨固體與材料研究所馬利波研究員課題組、開姆尼茨工大Oliver G. Schmidt教授團隊與中國科學院化學研究所趙永生課題組合作開發(fā)了一種界面化學修飾策略，實現(xiàn)了鈣鈦礦輻射復(fù)合速率的極大提升。
通過等離子體增強的原子層沉積技術(shù)在鈣鈦礦表面沉積一層氧化鋁納米層。沉積的氧化鋁層在保證鈣鈦礦薄膜形貌、組分和晶體結(jié)構(gòu)不變的情況下，與鈣鈦礦表面產(chǎn)生Pb-O化學鍵連。經(jīng)過此氧化鋁表面修飾，鈣鈦礦薄膜的發(fā)光強度增加了500倍，發(fā)光壽命下降了10倍，實現(xiàn)了輻射復(fù)合速率的5000倍提升。并且該表面修飾策略普適于其他鹵素組分的鈣鈦礦材料。
激發(fā)態(tài)動力學研究表明，氧化鋁修飾的鈣鈦礦薄膜的高效發(fā)光源自于氧化鋁鍵連的鈣鈦礦表面態(tài)。相比于本征鈣鈦礦，氧化鋁鍵連的鈣鈦礦表面態(tài)具有更大的激子結(jié)合能，可以更有效地捕獲電子-空穴對，從而產(chǎn)生更高的輻射躍遷幾率。 電子能帶結(jié)構(gòu)計算顯示，相比于本征鈣鈦礦，氧化鋁鍵連的鈣鈦礦表面態(tài)在價帶與導(dǎo)帶中均具有更高的電子態(tài)密度，可以提供更多的輻射躍遷幾率。此外，在氧化鋁修飾前后，鈣鈦礦導(dǎo)帶中電子態(tài)密度從均勻分布在鈣鈦礦晶格中變成局域在鈣鈦礦-氧化鋁界面處。這種電子態(tài)密度局域會增加電子-空穴波函數(shù)重疊，進一步提升輻射復(fù)合幾率。 總結(jié)來說，氧化鋁修飾的鈣鈦礦表面態(tài)具有更大激子結(jié)合能以及更高的局域化電子態(tài)密度，因此帶來極大的輻射復(fù)合增強。該輻射復(fù)合增強可顯著增強鈣鈦礦的光電性能，并推動和提升其在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。 論文信息： Interfacial chemistry triggers ultrafast radiative recombination in metal halide perovskites Haiyun Dong, Chunhuan Zhang, Weijie Nie, Shengkai Duan, Christian N. Saggau, Min Tang, Minshen Zhu, Yong Sheng Zhao, Libo Ma, Oliver G. Schmidt 文章第一作者是萊布尼茨固體與材料研究所的董海云博士和中國科學院化學研究所的張春煥博士。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202115875
