材料学院张青课题组实现激子迁移率接近Mott-Ioffe-Regel极限值的二维钙钛矿半导体材料

该研究阐明了Ruddlesden?Popper钙钛矿中高激子迁移率的起源，揭示了激子输运、晶格刚度和激子-晶格相互作用之间的强关联性，通过调控电声耦合强度实现了激子输运性能的巨大突破，为调控二维杂化体系中激子的发光和输运提供了新的思路。

　　

二维Ruddlesden?Popper钙钛矿（2D RPP）中的激子输运性质对其光电性能起着主导性的作用，目前遇到的最大问题是载流子迁移率与3D钙钛矿相比，低约1—2个数量级。由于有机-无机杂化晶格中的强限域效应和复杂的激子-声子相互作用，目前仍然缺乏激子传输特性的清晰光物理图像。并且，激子-激子湮灭、层间耦合和缺陷等因素也会影响2D RPP中的激子传输行为。因此，尽管在激子传输方面取得了很大的进展，但激子输运和晶格性质之间的明确关联性，特别是关于激子和晶格相互作用的影响，仍然需要进一步探索。此外，如何通过调节激子-声子相互作用来调整激子输运特性对于基于2D钙钛矿的光电子应用来说也是迫切需要解决的问题。

近日，北京大学材料科学与工程学院张青副教授，与国家纳米科学中心刘新风研究员和华南师范大学吴波研究员联合攻关，运用时间分辨荧光显微镜技术（Time-Resolved Photoluminescence Microscopy, TRPLM），研究了二维Ruddlesden?Popper钙钛矿（2D RPP）中的激子输运过程，通过在表面使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）刚性网络锚定软丁基铵阳离子的方法，在机械剥离的薄片中实现大幅度提升自由激子迁移率，从约7.6 cm² V^-1 s^-1提高到约280 cm² V^-1 s^-1（如图1所示）。提高之后的载流子迁移率接近Mott-Ioffe-Regel准则的理论极限。相关研究成果以“Boosting Exciton Mobility Approaching Mott-Ioffe-Regel Limit in Ruddlesden?Popper Perovskites by Anchoring the Organic Cation”为题发表在Nature Communications杂志上（DOI: 10.1038/s41467-024-45740-y）。

图1. 盖玻片和PMMA包裹的机械剥离(BA)₂PbI₄-RPP薄片中的激子传输性质对比

研究团队使用时间分辨荧光显微镜技术，直接观察了一系列物理剥离的(BA)₂(MA)_n1Pb_nI_3n+1 RPP薄片中的超快激子输运过程，通过PMMA网状结构锚定(BA)₂(MA)_n1Pb_nI_3n+1 RPP表面的BA分子，结合时间分辨荧光显微成像技术，观察到了光生激子的快速扩散，其迁移率从无PMMA的7.6 cm² V^-1 s^-1提升到了280 cm² V^-1 s^-1，激子迁移率高出1—2个数量级，且符合了Mott-Ioffe-Regel（MIR）准则（如图2所示）。此时2D RPP中限域的激子输运机制是局域跳跃输运和半经典类带输运之间的中间情况，它独特地结合了这两种描述的特征，表现出激子波函数离域和高结合能。

图2. 接近Mott-Ioffe Regel极限的激子扩散性质

温度依赖的荧光测量表明，PMMA刚性网络可以将BA分子锚定在表面，导致晶格刚性提高和无序度降低，这一点也得到了分子动力学（MD）模拟的证实。而且激子-声子散射变形势从4.0×10⁸ eV cm^-1下降至9.9×10⁷ eV cm^-1，激子散射时间和平均自由程大大增加，因此显著改善了激子的输运性质。上述发现阐明了Ruddlesden?Popper钙钛矿中高激子迁移率的起源，揭示了激子输运、晶格刚度和激子-晶格相互作用之间的强关联性。该研究通过调控电声耦合强度实现了激子输运性能的巨大突破，为调控二维杂化体系中激子的发光和输运提供了新的思路。

张青、刘新风、吴波为本文通讯作者。香港理工大学应用物理系殷骏教授提供了理论计算，南开大学物理科学学院超快电子显微镜实验室邓时滨副教授提供了理论指导。北京大学材料科学与工程学院2019级博士生梁印在该工作中作出了重要贡献。该项工作得到了国家自然科学基金委、科技部和北京市杰出青年基金等项目大力支持。