段镶锋教授/平远教授，最新Nature Nanotechnology！

成果简介

美国加州大学洛杉矶分校段镶锋教授和加州大学圣克鲁兹分校平远教授（共同通讯作者）发现了卤化铅钙钛矿中光载流子诱导的持久性结构极化和局部铁电性。

作者使用高度稳定的范德华接触策略在低温下进行系统的光载流子输运研究，并报道了在薄膜CsPbBr₃中发现了一种持久的光导，低温下（<20 K）光载流子密度为10¹⁵~10¹⁶cm^-3，寿命为1.0×10⁶ s。

同时，基于X射线衍射研究直接证实了光载流子诱导的结构畸变，且在低温温度下持续存在，但在升温超过临界冻结温度（~100 K）时消失。此外，理论研究进一步强调了光载流子驱动的结构畸变对观察到的局部弛豫铁电相的重要作用。

总之，本文的研究为CsPbBr₃中光载流子诱导的结构极化和铁电大极化子提供了强有力的证据，它们在临界冰点温度以下持续存在，没有持续的光激发，并且在变暖和去除持久性光载流子时消失。

相关论文以“Photocarrier-induced persistent structural polarization in soft-lattice lead halide perovskites”为题发表在Nature Nanotechnology。

研究背景

研究表明，软晶格卤化铅钙钛矿（LHPs）表现出显著的光载流子特性，如低载流子复合率、高载流子迁移率和长电荷扩散长度，以及许多众多有趣的现象，包括慢热载流子冷却、量子干涉和巨大的自旋轨道耦合，以及低成本的溶液可加工性和不寻常的缺陷容限，这些非优异的特性使LHPs成为光电子学和自旋电子学中有吸引力的材料。

然而，虽然在包括光伏和发光二极管在内的概念验证设备方面已经取得了巨大成功，但这些属性的基本起源并不完全清楚。在为载流子复合和传输性质提出的许多理论中，大极化子的概念尤其引起人们的兴趣。

内容详解

之前的研究表明，软晶格材料中多余的电子或空穴会引起局部晶格畸变，这些畸变延伸到多个晶胞上，形成大的极化子（图1a，左）。在光激发下形成大极化子将电子和空穴物理分离（图1a，右），从而延长载流子寿命并增强光伏性能。事实上，一些开创性的研究已经从热载流子寿命、迁移率/密度特性、大孔有效质量和极化子诱导应变场的解释中揭示了LHPs中大极化子形成的特征。

图1. 传统大极化子和铁电大极化子的区别

同时，铁电性对LHPs中载流子重组的贡献也被提出，其中电子和空穴沿着铁电域以不同的路径移动，降低了重组的概率，但确切的起源仍有待完全解决。此外，也有人提出，极化子的形成和相关的晶格畸变可能导致电荷偶极动量的净积累，并在域内构建具有强大均匀极化的铁电畴，而与电荷中心的距离无关，最终形成“铁电大极化子”（图1b，左）。

这种铁电极化可能导致电子和空穴极化域具有更宽更深的电位阱（图1b，右），进一步降低电荷重组的概率，从而延长载流子的使用寿命。然而，直接评估LHP中的铁电行为及其与电荷载流子重组的相关性，或光载流子传输特性一直难以捉摸。

部分原因是：在室温或热循环研究期间，存在相当大的离子运动或不可逆的光化学过程，在低温下进行系统的光载流子输运研究可以在很大程度上避免这种情况，但由于难以进行可靠的接触以在低温传输或热循环研究中存活，因此一直具有挑战性。

图2. 长寿命的光载体

图3. 光载流子引起的结构变形

图4. 光照下局部松弛铁电行为的出现

图5. 进一步的DFT 计算

总之，在低温下光激发时形成铁电纳米结构域会产生防止电荷复合的潜在屏障，并导致非常持久的持久光导和光电容。本文的研究结果突出了软晶格LHP作为探索丰富极化子光物理学的令人兴奋的材料平台，并将激发新一波的兴趣，从而探索软晶格动力学和光电特性之间的相互作用。

Qian, Q., Wan, Z., Takenaka, H. et al. Photocarrier-induced persistent structural polarization in soft-lattice lead halide perovskites. Nat. Nanotechnol. (2023). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01306-x

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段镶锋教授/平远教授，最新Nature Nanotechnology！

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