近日，南方科技大學(xué)陳銳教授研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)深能級(jí)缺陷對(duì)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，通過(guò)原子層沉積技術(shù)（ALD）將鈣鈦礦微晶包裹在致密的Al2O3膜中，發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦微晶在高溫下分解的可揮發(fā)性氣體能被保留在這密封的微環(huán)境中。有趣的是，在樣品的溫度冷卻過(guò)程中，分解的揮發(fā)性氣體在應(yīng)力和氫鍵引力的作用下重新合成，結(jié)構(gòu)發(fā)生了重結(jié)晶的現(xiàn)象。通過(guò)激光光譜學(xué)的手段進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)大部分深能級(jí)缺陷（Deep level trap states，DLTS）被有效消除，晶體結(jié)構(gòu)得到修復(fù)，發(fā)光性質(zhì)與其激射穩(wěn)定性得到較大的增強(qiáng)。相關(guān)研究成果以封面論文“Self-Structural Healing of Encapsulated Perovskite Microcrystals for Improved Optical and Thermal Stability”為題，在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials上發(fā)表。
鈣鈦礦材料具有優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性能，在光電器件領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。近十幾年來(lái)，鈣鈦礦材料與器件的研究迅速開展，器件的性能也得到了很大的提高。隨著研究的深入，人們意識(shí)到鈣鈦礦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，對(duì)其光電器件性能的進(jìn)一步提高及實(shí)際應(yīng)用上造成了一定的影響。因此，提升鈣鈦礦基光電器件的性能，先要解決鈣鈦礦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的問(wèn)題，其中包覆是最為有效且簡(jiǎn)單的方式。團(tuán)隊(duì)最新的研究發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中深能級(jí)缺陷的種類和密度對(duì)其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響較大。團(tuán)隊(duì)人員利用致密的Al2O3膜層包裹MAPbBr3微晶，形成一個(gè)類真空的微環(huán)境。當(dāng)樣品溫度高于其升華溫度（150℃），材料結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生分解形成可揮發(fā)的CH3NH2和HBr氣體。
圖1 鈣鈦礦微晶在高溫-室溫轉(zhuǎn)換過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自修復(fù)的功能
由于Al2O3膜層的致密性，分解的氣體被有效限制，而當(dāng)樣品溫度恢復(fù)到室溫后，發(fā)生了晶體結(jié)構(gòu)的自修復(fù)，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的大部分深能級(jí)缺陷被消除，發(fā)光性能得到了增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)中研究了樣品在強(qiáng)光照射下的穩(wěn)定性和環(huán)境穩(wěn)定性，并對(duì)以此微晶為原型的微型激光器的穩(wěn)定性做出了研究。發(fā)現(xiàn)強(qiáng)光照10h后，經(jīng)過(guò)處理的樣品發(fā)光強(qiáng)度最大增強(qiáng)了14倍，激光性能穩(wěn)定性可以維持長(zhǎng)達(dá)2年！這項(xiàng)工作的開展為提升鈣鈦礦穩(wěn)定性和器件性能提供了思路，可以拓展到其他的鈣鈦礦材料體系中，為推進(jìn)鈣鈦礦基光電器件的實(shí)際應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)。
圖2 深能級(jí)缺陷示意圖及激光穩(wěn)定性示意圖
論文第一作者為課題組博士后李如雪博士（已出站，現(xiàn)為廣西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院副教授），共同第一作者是深圳技術(shù)大學(xué)新材料與新能源學(xué)院的李波波博士和長(zhǎng)春理工大學(xué)的方鉉博士。課題組內(nèi)的研究生時(shí)月晴、劉秀也參與了這項(xiàng)工作。這項(xiàng)研究的共同通訊作者為長(zhǎng)春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的魏志鵬教授，其長(zhǎng)期在半導(dǎo)體激光及探測(cè)領(lǐng)域從事研究，在材料生長(zhǎng)如分子束外延（MBE），ALD等上具有較多的經(jīng)驗(yàn)。
近期，魏志鵬教授和陳銳教授已合作多篇關(guān)于鈣鈦礦基激光器性能提升和穩(wěn)定性的工作（Nanoscale, 2020, 12 (25): 13360～13367；Nanoscale, 2018, 10 (48), 22766～22774等）。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202100466
