有机金属三卤化物

目前，美国能源部有关金属卤化物灯的最低能源效率标准(MEPS)要求和测试程序要求还正在制定当中。金属卤化物灯的能效要求主要体现在能源之星规范中。 　　有关金属卤化物灯的能源之星规范主要是2011年7月5日发布的灯具能源之星规范V1.1版。该规范取代了原来4.2版的住宅照明设备和1.3版的固态照明灯具的能源之星规范，并于2011年4月1日开始生效。 　　根据灯具能源之星规范V1.1版的规定，金属卤化物灯在2013年9月1日之前，每个灯-镇流器系统的初始光效应大于等于65 lm/W，2013年9月1日后，每个灯-镇流器系统的初始光效应大于等于70 lm/W。同时，每个灯-镇流器系统应能提供最小800 lm的初始光输出。 　　金属卤化物灯的光效和光输出按照IES LM-51-11进行测试。 　　2013年8月20日，能源部发布了有关金属卤化物灯具的节能标准的技术规则提案(78 FR 51463)。2013年9月27日，美国能源部将就金属卤化物灯的MEPS标准举行公共会议并征集公众意见。意见征询的截止日期为2013年10月21日。能源部在一份技术规则提案中称，用于室内外的400W的金属卤化物灯具的平均寿命周期可节约的成本约为30美元 1000W的金属卤钨灯具可节约的寿命周期成本约为400-500美元。根据能源部的估算，在30年间，设立的金属卤化物灯的MEPS标准将节约0.80-1.1夸特的能源。同时，MEPS标准还将减少4900-6500万公吨的二氧化碳、21.4-28.9万吨甲烷、890-3000吨一氧化二氮、6.5-8.7万吨二氧化硫、6.6-9.0万吨氧化氮和0.11-0.15吨水银的排放。 　　详情参见：http://www.gpo.gov/fdsys/granule/FR-2013-08-20/2013-20006/content-detail.html

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。

【科学背景】二维（2D）半导体和范德瓦尔斯（vdW）异质结构是新兴的纳米材料，因其在设计纳米电子学、光电子学和纳米光子学方面的巨大潜力而成为了研究热点。在众多混合维度异质结构中，卤化物钙钛矿/2D半导体异质结构因其独特的光电和光子特性而脱颖而出。卤化物钙钛矿具有大的吸收系数和折射率、低陷阱密度、高光致发光量子产率、可调节的带隙等优点，这些特性为2D光电和光子器件提供了有效的补救措施。然而，实现高质量单晶卤化物钙钛矿/2D半导体混合维度异质结构仍然具有挑战性，主要问题包括材料结构在外部应力下的超敏感性和碘的复杂反应性。为了应对这些挑战，湖南大学段曦东教授团队提出了一种通用的范德瓦尔斯异质外延策略，通过这一方法成功合成了一系列高质量的单晶卤化物钙钛矿/2D半导体异质结构。通过选择特定的钙钛矿外延层和2D半导体，可以按需调整异质结构，涵盖从全无机到有机-无机混合类型的钙钛矿以及不同的2D半导体。这种方法展示了高晶面和对齐选择性，实验结果表明，这些异质结构具有显著降低的缺陷密度和均匀的能量景观，从而提供了增强的光增益特性和超低阈值且稳定的单模激光。此项研究拓展了范德瓦尔斯异质结构的应用前景，为片上光源和集成光电设备的发展提供了新的思路和方法。【科学亮点】（1）实验首次展示了通用的范德瓦尔斯异质外延策略，用于合成一系列晶面特异性的单晶卤化物钙钛矿/二维（2D）半导体（多重）异质结构。通过这种方法，可以在不同维度和成分的基础上，灵活地定制异质结构，包括从全无机到有机-无机混合的钙钛矿，以及单独的过渡金属二硫化物或2D异质结。（2）实验通过以下步骤和方法取得了一系列显著结果：&bull 方法：采用了范德瓦尔斯异质外延方法，将特定的钙钛矿外延层与2D半导体耦合，实现了高质量单晶异质结构的合成。该方法对CMOS兼容基板（如SiO2/Si）和光子兼容平台（如Si和LiNbO3）具有普遍适用性。&bull 结果一：通过选择不同的耦合层，可以广泛调整所获得的异质结构，从而实现可编程的异质结构，优化材料特性和设备性能。&bull 结果二：实验发现，外延的钙钛矿表现出高晶面和对齐选择性，这可能归因于热力学上有利的界面形成能及其在底层单层半导体的三重对称下形成的简并态。&bull 结果三：由于弱的范德瓦尔斯相互作用在异质界面产生不共晶/非相干的平面内晶格，实现了无键集成，最小化了失配引起的应变和缺陷。&bull 结果四：范德瓦尔斯外延钙钛矿半导体表现出显著降低的缺陷密度和均匀的能量景观，从而提供了增强的光增益特性和超低阈值且稳定的单模激光。&bull 结果五：实验合成的CsPbI2Br/WSe2异质结构展示了超高的光增益系数、降低的增益阈值和延长的增益寿命，归因于降低的能量无序。【科学图文】图1：卤化物钙钛矿/二维半导体异质结构的外延生长。图2：外延异质结构的界面能量。图3：单层WSe2和外延CsPbI3的原子结构图案。图4：晶面选择性外延生长的机制。图5：能量无序景观。图6：光增益响应。图7：卤化物钙钛矿/二维半导体异质结构的增强激光能力。【科学启迪】以上文章展示了通过范德瓦尔斯异质外延方法成功合成高质量的卤化物钙钛矿/二维半导体异质结构，并在光子学领域取得显著进展。这一研究不仅为开发新型光电子和光子器件提供了创新的材料平台，还突破了传统材料集成的限制。通过优化材料的光学性能和结构设计，实现了具有超低阈值和稳定性的单模激光器，为光通信和传感等领域的应用提供了新的解决方案。特别是，引入的单层半导体在促进钙钛矿的选择性外延生长和作为传输层方面发挥了关键作用，为电驱动片上激光器的实现奠定了基础。这项研究不仅推动了光子学领域的技术进步，还为理解和利用材料的光电特性提供了深刻见解，为未来量子光子学和光电子一体化系统的发展开辟了新的研究方向。原文详情：Zhang, L., Wang, Y., Chu, A. et al. Facet-selective growth of halide perovskite/2D semiconductor van der Waals heterostructures for improved optical gain and lasing. Nat Commun 15, 5484 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49364-0