ACS Energy Lett.：理論設計type-II型對齊的單層鹵化物雙鈣鈦礦橫向異質結

youyoucao 3年前 (2020-06-12) 6021瀏覽

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第一作者：武漢大學鐘紅霞

通訊作者：比利時列日大學唐剛和武漢大學袁聲軍

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c01046

前言

3D鉛基鹵化物鈣鈦礦(ABX₃)因其優異的光電性能引起了科學家們的廣泛關注，具體應用包括太陽能電池、探測器、發光等光電器件。然而鉛的毒性一定程度上阻礙了它們的商業化應用。最近幾年發展起來的3D鹵化物雙鈣鈦礦(A₂B(I)B(III)X₆)利用+1和+3價的無毒陽離子組合替代+2價的有毒鉛離子，具有較好的穩定性同時在探測器等領域表現出優異的光電性能。但目前報道的大部分雙鈣鈦礦具有間接寬帶隙和較大的載流子有效質量，較少具有直接帶隙的體系又表現出禁阻躍遷的特性，極大程度限制了它們在太陽能電池等領域的應用。因此為了獲得性能優異的雙鈣鈦礦體系，一部分實驗研究者們開始把目光轉向層狀鹵化物雙鈣鈦礦，例如：(BA)₄AgBiBr₈?(BA =CH₃(CH₂)₃NH₃⁺)，PA₄AgInCl₈?(PA = propylammonium)，(CAA)₄CuBiI₈(CAA = cyclohexylamine)。目前實驗報道的部分單層雙鈣鈦礦體系具有直接帶隙，且表現出有潛力的光電性質。受到近年來二維材料領域過渡金屬硫族化物異質結發展的啟發，這些單層鹵化物雙鈣鈦礦的合成制備為實驗上生長晶格匹配的垂直和橫向異質結器件提供了可能性，同時通過構建異質結器件也為解決當前鹵化物雙鈣鈦礦領域面臨的挑戰提供了新的思路。因此，研究和探討單層鹵化物雙鈣鈦礦異質結的光電性能就變得非常重要而緊迫。

成果簡介

近日，武漢大學袁聲軍教授課題組、比利時列日大學唐剛博后等人率先從理論上研究了構建性能優異的單層鹵化物雙鈣鈦礦橫向異質結的可能性，并系統地研究了它們的光電和力學性能。本工作基于目前實驗已經合成的單層雙鈣鈦礦體系A₄B(I)B(III)X₈，通過合理地簡化結構模型，同時根據最外層電子構型選取了具有代表性的Cu-VA和Ag-IIIA的組合進行了深入系統的研究。計算結果表明：基于Cu-VA和Ag-IIIA構建的橫向異質結具有type-II型能帶對齊的特點。進一步，以(Cs₄CuBiI₈)₃/(Cs₄AgInI₈)₃橫向異質結為例研究了外延應變和組分調控對其電子結構和光學性質的影響。當施加拉伸應變或者增大Cs₄CuBiI₈組分長度時，空穴的有效質量可以降低一個數量級，帶邊禁阻躍遷的情況也會發生變化。特別地，拉伸應變和異質結的組分變化可以調控帶邊躍遷情況和帶邊載流子的壽命，給實驗上具有帶邊禁阻躍遷的鹵化物雙鈣鈦礦提供了一個新的調整方向。在本文返回修改過程中，Letian Dou等人首次實驗報道合成了二維單鈣鈦礦橫向異質結(Nature, 10.1038/s41586-020-2219-7)，并且他們發現通過無機組分和界面處的晶格應變可以調控異質結的性能，這一定程度驗證了本工作提出的理論設計在實驗上是有可能實現的。該研究結果提出了構建type-II型能帶對齊的單層雙鈣鈦礦橫向異質結的方案，并給出了調控它們電子結構和光學性能的手段，為將來實驗上實現高性能的橫向異質結器件提供了有意義的理論指導。該成果以“Type-II Lateral Heterostructures of Monolayer Halide Double Perovskites for Optoelectronic Applications” (DOI: 10.1021/acsenergylett.0c01046)為題發表在著名期刊ACS Energy Letters，同時被編輯選為封面論文，武漢大學鐘紅霞博士為該論文的第一作者。