高压走式仪

本文授权转载自公众号“研之成理”，原作者邹勃教授课题组今天非常荣幸邀请到吉林大学王凯、邹勃教授课题组来对他们新发表在Advanced Science上的文章进行解析。本文由作者张龙倾情打造，内容非常翔实，推荐大家细细品味！在此，感谢王凯、邹勃教授和张龙的大力支持和无私分享。金属卤化物钙钛矿作为一类新型的半导体材料具有许多优异的光电特性：可调的带隙宽度、高效光捕获能力、宽吸收光谱、高光致荧光量子效率等，因而获得了广泛的研究兴趣和美好的光伏、LED应用前景。短短的几年内，钙钛矿太阳能电池的能量转化效率从初的3.8%快速地增加到了当前的23.2%，薄膜的荧光量子效率也已达到70%，因此其已经成为当今能源材料领域具潜力的和竞争力的一枚新星。压力是独立于温度、化学组分的第三个物理学参量，可以非常有效地使原子间距离缩短、相邻电子的轨道重叠增加，进而改变物质的晶体结构、电子结构和分子间的相互作用，使之达到高压平衡态，形成全新的物质状态。研究发现，对金属卤素钙钛矿材料进行的高压研究证实体积压缩可以有效地调控晶体结构和电子状态，同时还能够发现新奇的结构和性质（例如：我们近报道的压力诱导Cs3Bi2I9金属化在大约28 GPa，Angew. Chem. Int. Ed. 57 (2018),11213；Cs4PbBr6在大约3 GPa压力诱导发光，Nature Commun. 9 (2018), 4506；CsPbBr3高压下结构相变和带隙调控，J.Am. Chem. Soc. 139 (2017), 10087），为合成常规条件无法得到的新型功能材料提供了重要源泉。近几年，人们发现了几种二维的白光发射的钙钛矿材料，从而发展出了一个新兴的光电材料领域。不同源于自由激子复合的窄发射，研究表明白光宽发射主要归因于激子自陷。这种白光宽发射常见于二维的层状的Pb-Br或Pb-Cl钙钛矿。由于大体积的有机分子的存在，从而导致层状的无机骨架发生扭曲。激子和扭曲的无机晶格产生强的耦合，从而形成处于不同能级的稳定的自陷激子。在常温常压下，二维的(PEA)2PbCl4(PEA+= C6H5C2H4NH3+)表现出宽的白光发射由于激子自陷的存在。然而，二维的(PEA)2PbBr4只表现出了源于自由激子的窄发射，尽管它们拥有相同的结构。我们课题组设想能否通过晶格收缩提高Pb-Br无机骨架的扭曲，提高激子-晶格耦合形成稳定的自陷激子，从而激活(PEA)2PbBr4的宽发射？另外通过减小原子间的距离，可以提高原子间的轨道耦合，实现带隙窄化，促进其在光伏领域的应用。因此我们对其实施了高压光学和结构研究，来证实我们的合理预测。我们通过高压技术调控了二维金属卤化物钙钛矿的光学性质和结构，观察到了我们初设想的宽发射现象。这一研究结果扩展了人们对二维钙钛矿材料的认识，证实了其性质存在强的调控性以及深入探索的必要性和潜力，为合理设计和开发高性能的宽发射二维金属卤化物钙钛矿光电材料提供了一种新的策略。首先，我们研究了(PEA)2PbBr4的高压光致发光性质（Figure 1）。随着压力的增加，窄的自由激子发射逐渐地减弱。当压力增加到约5 GPa 时，出现了处于可见区的宽发射，且伴有大的斯托克斯移动。这是典型的自陷激子发射特征。这种压力诱导的宽发射现象初步证实了我们开始的推测。Figure 1. Emission property and broadband emission mechanism. a) PL spectra of (PEA)2PbBr4as a function of pressure at room temperature. The illustrations are PL micrographs upon compression. b) Pressure-induced PL intensity evolution of(PEA)2PbBr4. c) Schematic illustrations of emission evolutions upon compression. Ground state (GS), free-carrier state (FC), free-exciton state (FE), and various self-trapped exciton state (STE).在12 GPa以前，(PEA)2PbBr4的带隙持续地窄化，窄化了大约0.5 eV, 从而对应着更宽的光子吸收范围（Figure 2）。随着压力的进一步增加，我们观察到了带隙的蓝移和再次红移。材料的压致变色也体现出了其电子结构的变化。这一结果证实了压力对这种材料具有显著的带隙调控性。Figure 2. (a) Optical absorption spectra of (PEA)2PbBr4 under high pressure. (b) Optical micrograph of (PEA)2PbBr4 in a DAC upon compression. (c) Band gap evolutions of (PEA)2PbBr4 under high pressure. The illustration shows selected band gap Tauc plots for (PEA)2PbBr4 at 1 atm. 结构分析表明，随着压力的增加，Pb-Br无机骨架的扭曲是逐渐加剧的。无机骨架较大的扭曲，提高了激子-晶格耦合，从而形成了稳定的自陷激子，终导致宽发射的出现。Figure 3. Schematic diagram of Pb-Brinorganic layer distortion in (PEA)2PbBr4 upon compression. Gray ball: Pb, green ball: Br.邹勃，吉林大学教授、博士生导师，教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者。主要研究方向为高压化学和高压物理。已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed, J. Am. Chem.Soc., Adv. Mater.等国际期刊(SCI)发表研究论文270余篇。王凯，吉林大学副教授、博士生导师。师从邹广田院士和邹勃教授，研究方向为高压化学和高压物理，主持自然科学基金委面上项目和青年基金等多个科研项目。已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed, Adv. Sci.等国际期刊(SCI)发表研究论文百余篇。免责说明HORIBA Scientific公众号所发布内容（含图片）来源于文章原创作者提供或互联网转载。文章版权、数据及所述观点归原作者原出处所有，HORIBA Scientific 发布及转载目的在于传递更多信息及用于网络分享，供读者自行参考及评述。如果您认为本文存在侵权之处，请与我们取得联系，我们会及进行处理。HORIBA Scientific 力求数据严谨准确，如有任何失误失实，敬请读者不吝赐教批评指正。我们也热忱欢迎您投稿并发表您的观点和见解。HORIBA科学仪器事业部结合旗下具有近 200 年发展历史的 Jobin Yvon 光学光谱技术，HORIBA Scientific 致力于为科研及工业用户提供先进的检测和分析工具及解决方案。如：光学光谱、分子光谱、元素分析、材料表征及表面分析等先进检测技术。今天HORIBA 的高品质科学仪器已经成为全球科研、各行业研发及质量控制的首选。

4月28至29日，国家重大科研仪器研制项目“新一代大型超高压产生装置”验收会在吉林大学举行。国家自然科学基金委员会副主任谢心澄、浙江大学张泽、南方科技大学校长薛其坤、北京高压科学研究中心毛河光、燕山大学田永君、复旦大学龚新高、北京理工大学方岱宁等有关领导和相关领域专家，吉林大学校长张希，邹广田等参加了项目验收会和现场考察。会议由国家自然科学基金委员会数理学部常务副主任董国轩主持。　　在评审验收工作中，专家组一致认为，“新一代大型超高压产生装置”项目取得了大直径液压系统长行程自找平技术、分瓣式高压腔体与预应力钢带缠绕技术、压力梯度材料设计与三级密封组装技术三项创新性技术突破，为推动我国高压科学技术研究发展提供了大吨位单轴加载试验平台，总体完成了计划设计指标，正式通过国家项目验收。　　会上，张希代表吉林大学向国家自然科学基金委领导和专家们的指导表示感谢，向邹广田院士及项目组八年多的辛苦付出表示敬意。他表示，高压物理、高压化学和高压材料研究是吉林大学的优势学科方向，“新一代大型超高压产生装置”的建成，是开始的结束，而不是结束的开始。他希望相关科研团队和师生充分发挥装置效用，不断产生重要的新发现、新发明、新创造。希望国家基金委对项目接续支持，使装置得到充分利用，成为国内外学术交流合作的重要平台，为培养更多高层次人才、推动科技进步作出贡献。　　谢心澄在讲话中向邹广田带领的科研团队自装置项目立项以来，积极面向国家重大需求、坚持开展科研攻关表示感谢，同时，向吉林大学对装置研发工作的大力支持表示感谢，并希望吉林大学将该装置广泛应用于国家相关领域建设和转化应用，不断产生新的重要成果。　　验收会上，项目组技术负责人作项目工作情况报告。与会专家组分别听取了监理组、技术测试、技术档案和财务工作验收介绍，并前往大压机实验楼现场考察仪器设备有关情况。　　据了解，“新一代大型超高压产生装置”是吉林大学截至目前获批经费最多的国家自然基金项目。作为目前国际上最高吨位的单缸液压机，该项目成功研制的大腔体液压机将高压腔体体积的现有水平提高了2个数量级，可以开展以前所不能进行的高温高压研究工作，极大推进高压研究成果的转化应用。该装置的研发不仅实现了我国大腔体超高压装置从无到有“零”的突破，而且在物理、化学、材料、地学和能源等基础学科的高压科学研究中都将起到不可替代的重要作用，将在提升我国静高压研究水平和国际地位，解决国家行业重大需要等方面积极贡献吉大力量。　　国家自然科学基金委、教育部有关负责同志，来自国内20所高校和科研单位的验收专家，吉林大学常务副校长郑伟涛，科研院、财务处、审计处、资产管理处、实验室管理处、基础设施建设办公室、物理学院、超硬材料国家重点实验室等相关部门和学院负责同志及技术人员参加了评审验收会。

3月11日，国家重大科研仪器设备研制专项“新一代大型超高压产生装置”项目启动会在吉林大学举行。项目管理工作组组长、国家自然科学基金委员会数学物理科学部常务副主任汲培文研究员及专家组成员数学物理科学部主任解思深院士、副主任董国轩、物理一处处长张守著、倪培根研究员、计划局项目处处长谢焕瑛、北京物理所靳常青研究员、四川大学贺端威教授、中国工程物理研究院张传飞研究员一行9人，吉林大学常务副校长赵继，项目负责人、中科院院士邹广田，科学技术处、资产管理与后勤处、基建处、财务处等校内相关部门负责人以及超硬材料国家重点实验室和设计施工单位相关人员参加了启动会。会议由张守著研究员主持。 　　赵继代表吉林大学对基金委专家的到来表示热烈欢迎。他表示，这一项目对吉林大学的建设和发展具有重要意义，学校将在各个方面提供大力支持和保障，在制度和措施等层面把责任落实好，同时整合有效资源，通过多学科交叉和协同创新，争取向基金委交一份满意答卷。 　　邹广田院士就“新一代大型超高压产生装置”项目内容和项目管理进行了介绍 设计施工单位颜永年教授作了题为“‘高压物理6万吨超高压液压机’设计方案可行性”的报告。 　　项目管理工作组专家对该项目在实施过程中可能出现的科学和工程问题进行了积极讨论，并表达了对吉林大学完成项目任务的信心。 　　“新一代大型超高压产生装置”项目是目前吉林大学获得的第一个近九千万元（8700万）的国家自然科学基金委员会项目，同时也是学校最具影响力的超大项目之一。该项目的实施不仅对我国物理、化学、材料、地学等基础科学的研究具有重大促进作用，还将面向经济社会发展和国家重大战略需求发挥重要作用。