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热载流子在无机材料研究广泛，但在有机体系潜力未被充分挖掘。研究人员对二维共轭配位聚合物 Cu3BHT（BHT：苯六硫醇）薄膜展开研究，发现其中热载流子具有高迁移率，这为推进有机热载流子应用提供了新方向。
在科技飞速发展的当下，热载流子作为一类具有特殊性质的粒子，正逐渐成为众多科研领域的焦点。热载流子是指那些具有高于晶格热平衡能量的电子和空穴，它们就像一群充满活力的 “小战士”，在各种光电器件中发挥着至关重要的作用，推动着光伏、晶体管、光电探测器、光催化等领域的技术变革。然而，目前科学界对热载流子的认知存在着明显的 “偏科” 现象。在无机材料领域，热载流子的研究已经相当深入，科学家们仿佛已经绘制出了一幅详细的 “作战地图”，对其特性和行为了如指掌。但在有机材料体系中，热载流子却像是隐藏在迷雾中的宝藏，尽管其蕴含着巨大的潜力，可相关研究却远远滞后。
这背后的原因颇为复杂。传统有机化合物中，热载流子的能量弛豫过程如同闪电般迅速，这使得它们难以在有机体系中稳定存在并发挥作用。而且，有机化合物内部存在着严重的 “交通拥堵” 问题 —— 动态无序、电子 - 空穴对之间强烈的库仑相互作用以及电荷 - 振动耦合，这些因素极大地限制了热载流子的电荷传输能力，就像给热载流子的行动戴上了重重枷锁，使得有机化合物在有机热载流子应用方面面临着巨大的挑战。
为了打破这一困境，来自德国德累斯顿工业大学、马克斯?普朗克聚合物研究所、北京理工大学等多个研究机构的科研人员携手合作，开展了一项极具创新性的研究。他们将目光聚焦在二维共轭配位聚合物（2D c - CPs）上，这类材料近年来备受关注，就像是材料领域的一颗新星，具有独特的（光）电子特性，有望成为解决有机热载流子问题的 “金钥匙” 。研究人员以 Cu3BHT（BHT，苯六硫醇）薄膜为研究对象，通过一系列先进的实验技术，深入探索热载流子在其中的行为。
在研究过程中，科研人员使用了多种关键技术。时间分辨太赫兹光谱（TRTS）技术就像是一台 “超快摄像机”，能够实时追踪 Cu3BHT 薄膜中光激发后热载流子的微观电荷传输特性随时间和频率的变化；瞬态吸收光谱（TAS）和瞬态吸收显微镜（TAM）则像是一对 “火眼金睛”，可以直观地观察光生载流子在不同传输阶段的时空和能量演化过程 。凭借这些强大的技术手段，研究人员对热载流子的行为进行了全方位、多角度的剖析。
研究结果令人振奋不已。首先，在合成与表征 Cu3BHT 薄膜的过程中，研究人员发现通过优化的液 - 液界面合成方法制备的 Cu3BHT 薄膜具有高度有序的结构。原子力显微镜、拉曼光谱、高分辨率透射电子显微镜等多种表征手段揭示了其内部的配位结构、晶格间距等详细信息，这些结构特点为热载流子的传输提供了良好的基础。
接着，在研究高迁移率热载流子和热声子瓶颈时，TRTS 测量结果显示，热载流子在非平衡态下展现出了惊人的高迁移率，高达 - 2,000 cm2 V-1 s-1 ，并且能够在皮秒内穿越长达～300 nm 的晶界。这一发现就像是为热载流子在有机材料中的传输开辟了一条 “高速公路”。同时，研究还发现热载流子的冷却过程相对较慢，长达～750 fs，这得益于 Cu3BHT 薄膜较低的光学声子能量和较小的电子 - 空穴约化有效质量，使得热载流子能够在较长时间内保持其高能量状态，为后续的应用提供了更多可能。
进一步研究从非平衡态到准平衡态的转变时，科研人员通过分析时间分辨太赫兹波形和频率分辨的复太赫兹光电导率，发现热载流子在非平衡态和准平衡态下呈现出截然不同的电荷传输特性。在准平衡态下，带边载流子表现出类似德鲁德（Drude）型的自由载流子传输，迁移率约为 400 cm2 V-1 s-1 ，并且具有超过 1 μm 的本征扩散长度。这些数据表明，Cu3BHT 薄膜在准平衡态下也具备优异的电荷传输性能，为其在实际应用中的稳定性提供了保障。
最后，通过 TAS 和 TAM 技术对光生载流子的时空和能量演化进行研究时，发现热载流子在冷却过程中会引起光谱蓝移，并且在不同的光激发条件下，热载流子的扩散系数和传播长度会发生变化。这一系列现象不仅进一步证实了热载流子在 Cu3BHT 薄膜中的高迁移率特性，还揭示了其在不同条件下的传输规律，为后续的材料优化和应用设计提供了重要依据。
综合来看，这项研究首次在二维共轭配位聚合物中发现了高迁移率的非平衡态热载流子，为有机（光）电子应用领域开辟了新的方向。热电子晶体管、热载流子光伏、等离子体光催化等领域有望因为这一发现取得重大突破。同时，Cu3BHT 薄膜在准平衡态下的优异性能也为后续的研究提供了新的思路，比如可以开展霍尔效应和量子霍尔效应的测量等。此外，二维共轭配位聚合物具有丰富的化学和结构可调性，这意味着未来通过对其进行进一步的优化和设计，有望开发出更多性能优异的有机材料，推动整个有机电子领域的发展。该研究成果发表在《Nature Materials》上，无疑为该领域的科研人员提供了宝贵的参考，激励着更多人在这个充满潜力的领域继续探索前行。
