type-II型对齐的单层卤化物双钙钛矿横向异质结

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▲第一作者：武汉大学钟红霞

通讯作者：比利时列日大学唐刚和武汉大学袁声军

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c01046

前言

3D铅基卤化物钙钛矿(ABX₃)因其优异的光电性能引起了科学家们的广泛关注，具体应用包括太阳能电池、探测器、发光等光电器件。然而铅的毒性一定程度上阻碍了它们的商业化应用。最近几年发展起来的3D卤化物双钙钛矿(A₂B(I)B(III)X₆)利用+1和+3价的无毒阳离子组合替代+2价的有毒铅离子，具有较好的稳定性同时在探测器等领域表现出优异的光电性能。但目前报道的大部分双钙钛矿具有间接宽带隙和较大的载流子有效质量，较少具有直接带隙的体系又表现出禁阻跃迁的特性，极大程度限制了它们在太阳能电池等领域的应用。因此为了获得性能优异的双钙钛矿体系，一部分实验研究者们开始把目光转向层状卤化物双钙钛矿，例如：(BA)₄AgBiBr₈ (BA =CH₃(CH₂)₃NH₃⁺)，PA₄AgInCl₈ (PA = propylammonium)，(CAA)₄CuBiI₈(CAA = cyclohexylamine)。

目前实验报道的部分单层双钙钛矿体系具有直接带隙，且表现出有潜力的光电性质。受到近年来二维材料领域过渡金属硫族化物异质结发展的启发，这些单层卤化物双钙钛矿的合成制备为实验上生长晶格匹配的垂直和横向异质结器件提供了可能性，同时通过构建异质结器件也为解决当前卤化物双钙钛矿领域面临的挑战提供了新的思路。因此，研究和探讨单层卤化物双钙钛矿异质结的光电性能就变得非常重要而紧迫。

成果简介

近日，武汉大学袁声军教授课题组、比利时列日大学唐刚博后等人率先从理论上研究了构建性能优异的单层卤化物双钙钛矿横向异质结的可能性，并系统地研究了它们的光电和力学性能。本工作基于目前实验已经合成的单层双钙钛矿体系A₄B(I)B(III)X₈，通过合理地简化结构模型，同时根据最外层电子构型选取了具有代表性的Cu-VA和Ag-IIIA的组合进行了深入系统的研究。

计算结果表明：基于Cu-VA和Ag-IIIA构建的横向异质结具有type-II型能带对齐的特点。进一步，以(Cs₄CuBiI₈)₃/(Cs₄AgInI₈)₃横向异质结为例研究了外延应变和组分调控对其电子结构和光学性质的影响。当施加拉伸应变或者增大Cs₄CuBiI₈组分长度时，空穴的有效质量可以降低一个数量级，带边禁阻跃迁的情况也会发生变化。特别地，拉伸应变和异质结的组分变化可以调控带边跃迁情况和带边载流子的寿命，给实验上具有带边禁阻跃迁的卤化物双钙钛矿提供了一个新的调整方向。

在本文返回修改过程中，Letian Dou等人首次实验报道合成了二维单钙钛矿横向异质结(Nature, 10.1038/s41586-020-2219-7)，并且他们发现通过无机组分和界面处的晶格应变可以调控异质结的性能，这一定程度验证了本工作提出的理论设计在实验上是有可能实现的。该研究结果提出了构建type-II型能带对齐的单层双钙钛矿横向异质结的方案，并给出了调控它们电子结构和光学性能的手段，为将来实验上实现高性能的横向异质结器件提供了有意义的理论指导。该成果以“Type-II Lateral Heterostructures of Monolayer Hali de Double Perovskites for Optoelectronic Applications” (DOI: 10.1021/acsenergylett.0c01046)为题发表在著名期刊ACS Energy Letters，同时被编辑选为封面论文，武汉大学钟红霞博士为该论文的第一作者。

图文导读