微米和纳米科技材料

高新技术中心最新“JACS”:用时间分辨X射线衍射研究纳米材料的结构演化

近日,北京高压科学研究中心的杨文革研究员团队与美国阿贡国家实验室的Xiaoyi Zhang研究员团队合作的最新研究使用时间分辨X射线衍射技术研究了二维无铅卤化物钙钛矿Cs3Bi2Br9纳米材料在皮秒到微秒的时间尺度内的结构演变。他们观察到了在光激发下,Cs3Bi2Br9在纳秒内尺度内发生的光致瞬态晶体的结构变化。该研究表明电荷载流子的光激发与晶格畸变相结合,从根本上影响了介电环境和电荷载流子的传输。相关研究以“Visualizing Light-Induced Microstrain and Phase Transition in Lead-Free Perovskites Using Time-Resolved X‑Ray Diffraction”为题发表于近期的JACS

论文链接:

https://pubs.acs.org/action/showCitFormats?doi=10.1021/jacs.1c11747&ref=pdf

金属卤化物钙钛矿以其优异的光电特性被广泛用于发光二极管和激光器等器件。在过去十年中,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率得到了极大的提升。金属卤化物钙钛矿由于其晶格特征,在外部刺激或扰动(例如光激发)下很容易发生结构重排。动态晶格响应会直接影响金属卤化物钙钛矿中电荷载流子所经历的介电环境,从而影响它们的宏观性能,例如激子结合能、电荷载流子迁移率和复合率。因此,直接揭示光激发时的结构动力学对于从根本上理解这些钙钛矿材料中的光电行为至关重要。时间分辨光谱学技术,如超快拉曼光谱、红外光谱、可见光光谱等已被广泛用来揭示光激发下金属卤化物钙钛矿的瞬态声子和电子结构信息。但是这些光学测量只能间接探测材料中原子位置及其局域结构,不能解析其晶格结构的长程有序性及其变化。

图释:时间分辨 X 射线衍射探测瞬态激光诱导的Cs3Bi2Br9微观应变及其非晶化。

该研究小组采用近几年发展起来的超快激光时间分辨 X 射线衍射技术直接探测二维无铅钙钛矿(Cs3Bi2Br9)在光激发下的结构演变。在较弱的激光诱导下,Cs3Bi2Br9会发生微应变及晶格膨胀,这种微应变可在 10 纳秒内恢复,而晶格膨胀的完全恢复需要数百纳秒。当激光激发通量达到一定值时,微应变不再进一步增加,Cs3Bi2Br9纳米晶会发生部分非晶化。

“在这里,激光的作用类似于压力¾作用于样品,改变原子间距,使原子发生重新排布,从而改变晶体结构及其性质”。杨文革研究员解释。“Cs3Bi2Br9卤化物钙钛矿在光激发下发生的结构上微应变源于光刺激下晶格的不均匀变化,这种晶格上的微小变化可能增加电荷载流子散射和复合概率,当非晶化在较高的激发通量下出现时,将进一步增加载流子的散射,从而可能进一步对钙钛矿材料的宏观性能产生不利的影响。因此,在卤化物钙钛矿材料的设计中减少或者消除光刺激下的微应变以及非晶化对于提高其光电性能至关重要。”

*感谢论文作者团队对本文的大力支持

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系,未经许可谢绝转载至其他网站。

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