Bendi新闻
>
Nat. Commun.: 二维钙钛矿结构设计定量构效关系新模型

Nat. Commun.: 二维钙钛矿结构设计定量构效关系新模型

6月前

海归学者发起的公益学术平台

分享信息,整合资源

交流学术,偶尔风月

在二维金属卤化物钙钛矿光电材料中,深入理解激子行为与结构-性能之间的关联规律是开发高性能新材料的关键。特别是对于多层(n≥2)二维钙钛矿,要实现理想的激子特性,就必须综合考虑层内和层间结构参数,以此构建层内层间结构协同优化的材料。


近日,北京高压科学研究中心(HPSTAR)吕旭杰研究员、北京大学傅永平教授和威斯康星麦迪逊大学金松教授等科研团队通力合作,深入研究了二维钙钛矿中层内和层间结构的协同调控对激子特性和光电性能的影响机制,提出了二维钙钛矿结构设计的定量构效关系新模型,并据此制备了性能优异的新材料。相关成果以“Exciton engineering of 2D Ruddlesden–Popper perovskites by synergistically tuning the intra and interlayer structures”为题,发表在Nature communications 上,第一作者为郭嵩蒿博士。


图1. (a)二维金属卤化物钙钛矿中激子行为和载流子动力学示意图。(b)协同调控二维钙钛矿层内和层间结构来实现激子特性的调制。


以二维钙钛矿(BA)2(GA)Pb2I7为例,研究人员通过压力诱导结构调控,实现了激子特性的精准控制,促使其从束缚态激子与自由激子的平衡向自由激子与自由载流子的平衡转变。在2.1 GPa压力下,其荧光强度提升高达72倍,这主要得益于激子声子耦合的显著减弱;与此同时,由于激子结合能的降低,其光电导从初始的15.8 μS m-1提升到3.1 GPa下的160.6 μS m-1,实现了10倍的增幅。


高压原位结构表征结合理论揭示了激子特性和光电性能调控的结构本质。为了更精确地量化结构调控对激子和光电性能的影响机制,研究团建立了一个新的结构参数χ=模型,其中V代表钙钛矿笼的体积,L为层间距离,而N则是层间阳离子中非氢原子数量。随着压缩过程中χ的不断减小,对称因子逐渐增加,并伴随着荧光增强。在这一过程中,Pb-I键的缩短和笼体积(V)的减小促进了声子的硬化,从而有效抑制了激子缺陷的俘获。另一方面,层间距离(L)的减小削弱了介电限域效应并降低了激子结合能。将这个结构模型应用到多个二维金属卤化物钙钛矿材料,结构参数χ与荧光峰的对称因子之间都表现出很好的相关性(图3a),揭示了结构参数χ在调控二维钙钛矿材料性能方面的普适性。这个新定义的结构参数χ以一种平衡的方式整合了笼体积和层间距离对各向异性结构的影响,并利用层间阳离子的大小进行归一化。其中每个组分VL在构建这种普适的相关性中均发挥着不可或缺的作用。因此,χ的引入为二维钙钛矿的结构优化和性能提升提供了新的思路和方向。


图2. (a) (BA)2(GA)Pb2I7在不同压力下的荧光光谱。(b) (BA)2(GA)Pb2I7的光电导随压力的变化。(c) 二维金属卤化物钙钛矿(BA)2(GA)Pb2I7的晶体结构、笼体积和层间距离示意图。(d) (BA)2(GA)Pb2I7的笼体积和层间距离随压力的变化。(e) (BA)2(GA)Pb2I7的激子结合能Eb随压力的变化。


基于以上定量构效关系模型,研究人员运用阳离子工程,将更小的甲脒(FA)和更致密的N-甲基环己胺(CMA)引入(BA)2(GA)Pb2I7的层内和层间晶格之中,设计了一种具有较小χ值的二维钙钛矿(CMA)2FAPb2I7,如图3b所示。与原始材料(BA)2(GA)Pb2I7相比,这种新材料表现出更对称的荧光峰,且其荧光增强了21倍。,。尤为值得一提的是,(CMA)2FAPb2I7的荧光量子产率高达59.3%,是所有n=2的二维钙钛矿单晶中的最高值。这些表明此结构模型有望为设计性能优异的二维钙钛矿材料提供重要参考。


图3. (a) 二维金属卤化物钙钛矿的荧光对称因子与结构参数χ之间的关系。(b) 通过阳离子替换实现高压效果(BA替换为更致密的CMA,GA替换为更小的FA)。(c) 不同二维金属卤化物钙钛矿的荧光量子效率(PLQY)和结构参数χ之间的关系,其中(CMA)2FAPb2I7具有最小的χ和最高的荧光量子效率。


综上所述,该研究通过高压结合化学方法成功实现了层内和层间结构的协同调控,揭示了层内层间结构对激子特性和光电性能的影响机制,建立了二维钙钛矿结构设计的定量构效关系数学模型,为设计制备高性能二维金属卤化物钙钛矿新材料提出了新思路。


 

论文链接:
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47225-4


吕旭杰课题组网页:
https://www.x-mol.com/groups/lv_xujie


点击下方知社人才广场,查看最新学术招聘

扩展阅读

 
类似传统半导体-铅卤素钙钛矿实现有效电学掺杂 | NSR
PRL:卤化物钙钛矿的挠曲体光伏效应及超带隙光电压
Advanced Science:提高无MA钙钛矿太阳能电池效率和稳定性
Npj Comput. Mater.: 杂化有机-无机钙钛矿,还能开挂多久?
本文系网易新闻·网易号“各有态度”特色内容
媒体转载联系授权请看下方

微信扫码关注该文公众号作者

来源:知社学术圈

相关新闻

Nat Commun | 新研究表明在感染后较早开始治疗是控制HIV缓解的关键小米大模型提效新框架:训练最高提速34%,推理最高提速52%!Kaldi之父合作出品Nat Immunol | 新研究构建出人类造血干/祖细胞的最详细图谱,助力更多血液疾病的治疗ECCV 2024 | 南洋理工三维数字人生成新范式:结构扩散模型斯坦福团队开发生成式AI模型,设计易于合成的新抗生素分子对抗「超级细菌」Nat Commun | 巴克衰老研究所新研究揭示饮食限制减缓大脑老化和延长寿命的原因AI早知道|夸克上线大模型新产品“AI PPT”;昆仑万维首款 AI 游戏即将发布测试大模型高考成绩公布,理科最多上「二本」/传娃哈哈总经理宗馥莉请辞/OpenAI 推出 GPT-4o mini 新模型通用图大模型HiGPT:一己之力建模任何图结构关系!来自港大数据智能实验室&百度与AlphaFold3持平!国产抗体设计生成式AI大模型发布,能同时预测抗原抗体复合物结构和抗体从头设计大模型端侧 CPU 部署最高提效 6 倍!微软亚研院新开源项目 T-MAC 技术解析来了苹果大模型新成果:GPT-4o扮演用户,在场景中考察大模型工具调用,网友:Siri也要努力 | 开源多组学泛癌+机器学习模型构建!湘雅医院团队刚发表6+分SCI!(有发文福利)最强数学大模型易主!阿里千问新模型成绩超GPT-4o,网友:这才是真“草莓”奥特曼「草莓」推文引爆全网大猜想,神秘新模型现身,GPT-5 马上要来了?奥特曼秀5颗草莓疯狂暗示GPT-5?匿名新模型神秘现身,数学超强!从现在起,GitHub上超1亿开发者可直接访问全球顶级大模型,构建AI应用苹果 AI 版 iOS 登场,模型使用谷歌芯片;Meta 推新模型,与黄仁勋探讨 AI 与开源生态的未来丨AI情报局产品经理岗位能力模型构建指南AI也会「刷抖音」!清华领衔发布短视频全模态理解新模型 | ICML 2024Nat. Commun.: 一滴水是如何结冰的?Nat. Commun.: 折纸变形金刚翻车了!9.11和9.9哪个大?实测12个大模型8个都答错;OpenAI开打价格战,新模型价格骤降96%-97%丨AI周报机器人大模型新公司!数据规模比同行大1000倍!贝索斯、孙正义等押注
logo
联系我们隐私协议©2024 bendi.news
Bendi新闻
Bendi.news刊载任何文章,不代表同意其说法或描述,仅为提供更多信息,也不构成任何建议。文章信息的合法性及真实性由其作者负责,与Bendi.news及其运营公司无关。欢迎投稿,如发现稿件侵权,或作者不愿在本网发表文章,请版权拥有者通知本网处理。