近日，中國科學(xué)院院士、中科院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員李燦，研究員李仁貴等在鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)調(diào)變與光電性質(zhì)的研究方面取得新進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)全無機(jī)非鉛鹵化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)內(nèi)部八面體畸變的消除明顯降低了電子-空穴對(duì)局域化，增強(qiáng)了光生電荷的分離與傳輸，表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性質(zhì)。
金屬鹵化物鈣鈦礦由于其優(yōu)異的光電性質(zhì)（如光吸收系數(shù)高、激子結(jié)合能低、載流子遷移率高和擴(kuò)散長度長等）而受到廣泛關(guān)注，目前已被應(yīng)用于各光電領(lǐng)域。然而，為什么具有鈣鈦礦類結(jié)構(gòu)的材料表現(xiàn)出如此優(yōu)異的光電性質(zhì)，以及其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)如何影響光生電荷的分離與傳輸?shù)汝P(guān)鍵問題仍不清楚，這限制了進(jìn)一步發(fā)展高效的鈣鈦礦光電材料體系。
研究團(tuán)隊(duì)選用Cs3Bi2Br9這一類典型的無機(jī)鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體為研究對(duì)象，通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)Cs3Bi2Br9中BiBr6八面體結(jié)構(gòu)畸變使激發(fā)的電子-空穴對(duì)強(qiáng)局域在Bi中心，由此產(chǎn)生了激子結(jié)合能，阻礙了光生電荷的分離與傳輸。進(jìn)一步通過向其結(jié)構(gòu)中引入Ag原子替代部分Bi原子，形成雙鈣鈦礦Cs2AgBiBr6，Ag占據(jù)了原來的空位，消除了八面體的結(jié)構(gòu)畸變，降低了電子-空穴對(duì)的強(qiáng)局域化，使導(dǎo)帶和價(jià)帶中的電子分布更加分散。因此，相比于Cs3Bi2Br9，Cs2AgBiBr6的激子結(jié)合能更小，載流子有效質(zhì)量更低，載流子遷移率更高，有效壽命更長，提升了光生電荷的分離和傳輸性質(zhì)。該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步以可見光下光催化產(chǎn)氫反應(yīng)作為探針反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)變使光催化產(chǎn)氫活性提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，進(jìn)一步驗(yàn)證了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)調(diào)變對(duì)其光生電荷分離和傳輸性質(zhì)的重要影響。該研究工作對(duì)于深入理解鈣鈦礦半導(dǎo)體微觀結(jié)構(gòu)與其光電特性的本質(zhì)關(guān)聯(lián)、理性設(shè)計(jì)和指導(dǎo)新型鈣鈦礦材料體系應(yīng)用于光電領(lǐng)域具有重要意義。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上，論文第一作者是博士生石明。研究工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”和興遼英才計(jì)劃項(xiàng)目等的支持。
內(nèi)容來源于 中國科學(xué)院
110102000668（1）號(hào)