朱海明课题组Nature Communications：二维锡基卤化物半导体弱激发态极化效应诱导稳健的激子发光

近年来，水氧稳定性更强的具有有机配体的二维金属卤化物半导体因其紧密结合的电子-空穴对（即激子）在光电子领域展现了巨大的应用潜力。新兴的二维卤化锡以生物相容性的锡替换了环境危害性的铅，并表现出更优异的光电性能，包括更高的载流子迁移率，稳定的激光发射和性能优异的发光二极管。激发态下的激子性质和动力学是决定光电材料性能和器件效率的核心因素。课题组在之前研究中揭示了在二维卤化铅钙钛矿中，光激发激子将被晶格极化和畸变所调制，形成库伦相互作用受到屏蔽的激子极化子，利于激子解离，促使光能转化为电能（Sci. Adv. 2020, 6, eabb7132；Nat. Commun. 2021, 12, 1400；）。而在二维卤化锡钙钛矿中，现有光物理化学性质研究与实际光电器件研究在激子晶格耦合强度上有相反的结论，其激发态物种和激子行为仍不清楚，制约了人们对二维卤化锡钙钛矿半导体材料的深入理解和理性设计。

近日，朱海明课题组结合自旋分辨的超快光谱和复杂的理论计算，揭示了二维卤化锡钙钛矿在激发态下也将表现出完全的激子半导体特性。深入的光谱分析显示，(PEA)₂MASn₂I₇中的长程和短程激子-声子相互作用明显弱于(PEA)₂MAPb₂I₇，从而减轻了激发态的晶格极化屏蔽效应，并在二维卤化锡钙钛矿中形成了稳固的激子。尽管稳态测量得到基态的激子结合能同为0.2 eV左右，自旋分辨的超快光谱结果确定了(PEA)₂MASn₂I₇中的激发态的激子结合能约为0.18 eV，几乎是(PEA)₂MAPb₂I₇的两倍。这与稳态发光结果互相印证，(PEA)₂MASn₂I₇表现出更高效且功率无关的激子发光行为，而(PEA)₂MAPb₂I₇中存在显著的自由载流子发光现象。该研究挑战了二维金属卤化物半导体作为典型激子半导体的传统观点，突出了激发态的晶格极化效应对半导体材料中激子的性质和行为的决定性作用。此成果近期在线发表在Nature Communications上（Nat. Commun.15, 8541 (2024)）。同时，二维卤化锡钙钛矿功率无关、高效率和高色纯度的发光特性，结合其高迁移率的电学特性，使其在发光二极管和激光器件应用领域成为了相对铅基钙钛矿更优的选择。此前，课题组也与西湖大学师恩政课题组合作报道了首例二维卤化锡激光器（Sci. Adv.9, eadh0517 (2023)，最新的结果支撑了激光发射的起源。

该论文的通讯作者是浙江大学朱海明教授和浙江师范大学的南广军教授，第一作者是浙江大学化学系博士后周鸿志博士（现已加入国科大杭州高等研究院任特聘副研究员）与浙江师范大学博士生封青杰。该项目受国家自然科学基金委项目和浙江省科技厅项目支持。

Robust excitonic light emission in 2D tin halide perovskites by weak excited state polaronic effect

周鸿志†,封青杰†,孙铖,李亚辉,陶卫健,唐薇,李林军,师恩政,南广军* &朱海明*

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-52952-9

文   字：朱海明教授课题组

编   辑：黄珍珍、张维娅、邹尔纯

审   核：林旭锋

终   审：丁立仲