综述：从卤化物钙钛矿纳米晶到超晶：基础与应用

本综述系统阐述了卤化物钙钛矿超晶（SLs）作为电子耦合低维材料的独特优势，重点分析其通过激子相位相干与偶极耦合实现的超荧光（SF）、超辐射（SR）、放大自发发射（ASE）和激光等集体光学特性，为开发高性能发光二极管（LED）、低阈值激光器、高效太阳能电池和宽带光电探测器提供理论支撑。

　　

超晶的结构与形成机制

卤化物钙钛矿超晶（又称超晶格）是由纳米晶（NCs）、量子点（QDs）或纳米片（NPLs）等低维材料通过电子耦合构建的有序组装体。其形成依赖于配体的物理化学特性以及构筑单元尺寸与形状的均一性。配体不仅调控超晶的宏观形貌，更直接影响其电子耦合强度——长链配体可减弱耦合作用，而短链或导电配体则增强耦合效率。构筑单元的高度单分散性是实现长程有序组装的关键，通过溶剂蒸发、界面自组装等方法可制备出具有毫米级有序度的超晶材料。

电子耦合与光学特性

超晶的核心特征在于其构筑单元间存在强电子耦合作用。激子通过相位相干和偶极-偶极耦合在超晶内实现长程能量传递，产生独特的集体光学现象：

• •
  超荧光（Superfluorescence, SF）：多个激子协同辐射产生超快、超亮且窄带宽的发射，其强度与构筑单元数量的平方成正比。
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  超辐射（Superradiance, SR）：辐射衰减速率随耦合单元数增加而显著提升，适用于低阈值激光器设计。
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  放大自发发射（Amplified Spontaneous Emission, ASE）：在低泵浦能量下即可实现定向激光输出，得益于超晶内高效的能量转移网络。
  这些现象均源于量子相干效应，使超晶的发光性能远超孤立纳米晶的简单叠加。

材料优势与性能对比

卤化物钙钛矿超晶相较于金属硫族化合物超晶具有显著优势：

1. 1.
   高介电常数：增强激子屏蔽效应，降低非辐射复合概率；
2. 2.
   缺陷容忍性：表面缺陷态对发光效率影响较小，保障高量子产率；
3. 3.
   可调带隙：通过卤素组分（如CsPbBr₃、CsPbI₃）调节发射波长覆盖可见至近红外区域；
4. 4.
   强光-物质相互作用：大斯托克斯位移与高吸收系数利于光能捕获与转换。

光电应用前景

发光二极管（LED）

超晶的窄带宽发射（半高宽<20 nm）与高色纯度满足Rec. 2020显示标准，其协同发光特性可大幅提升器件外量子效率（EQE）。

低阈值激光器

超荧光与超辐射效应显著降低激光阈值（<10 μJ cm^?2），室温下即可实现连续激光输出，适用于片上集成光子学。

太阳能电池

超晶中的激子扩散长度可达微米级，通过能量漏斗效应将激子定向传输至电荷分离界面，提升钙钛矿/有机叠层电池的光电转换效率（PCE）。

宽带光电探测器

超晶的宽光谱吸收（300–1000 nm）与快速载流子传输（迁移率>10 cm² V^?1 s^?1）特性适用于多光谱成像与通信传感领域。

挑战与展望

当前超晶研究仍面临批量制备重复性、环境稳定性（湿度/光照降解）以及耦合机制定量解析等挑战。未来需开发原位表征技术（如超快光谱、低温电子显微镜）以揭示耦合动力学，并通过机器学习辅助设计配体化学与组装路径，推动超晶在量子信息与生物成像等领域的应用。