杂化钙钛矿材料中激发态动力学的新进展

图片来源:洛斯阿拉莫斯国家实验室

如图所示：科学家在理论上预测了MAPbI3杂化钙钛矿的结构:a图为中性簇。b图为负电荷(极化子)簇。c图为中性点(红球)和极化子(蓝球)在星系团中心的PbI64-八面体结构的各种透视对比。结构对比表明，用位移矢量(绿色箭头)表示，极化子的状态几何比中性态几何更弯曲和伸长。

通过加州大学伯克利分校的实验科学家和洛斯阿拉莫斯理论部门理论研究小组T-1，非线性研究中心(CNLS)和综合纳米技术中心(CINT)的理论科学家们之间的密切合作，研究人员进行了飞秒瞬态吸收和密度泛函理论模拟，以探索混合钙钛矿MAPbI3的激发态动力学，并发现了导致强调电荷分离的极化子状态形成的相干骨架振动动力学的证据。低频波包模式主要是由于极化子态与中性态不同的几何形状而引起的Pb-I弯曲和拉伸振动。MAPbI3钙钛矿型太阳能电池的高效率可能是振动相干性在高效光化学动力学中的重要性的又一个例子。

在杂化有机-无机钙钛矿中阐明电子-声子耦合将有助于理解高光伏效率。该科研小组观察了Pb-I骨架的低频拉曼模式和相关的核位移，表明了这些振动运动是如何在杂化钙钛矿中作为电荷载体导致极化子形成的。

杂化有机-无机钙钛矿是一种具有良好光电特性的材料，其中就包括作为太阳能电池具有优异的性能。它的性能改进归因于极化效应，包括通过结构变形和极化使局部电荷特性稳定的极化效应。在此，我们通过瞬态吸收、时域拉曼光谱和密度泛函理论研究了导致甲基铵碘化铅钙钛矿形成极化子的Pb-I结构动力学。甲基铵碘化铅MAPbI3钙钛矿在~20、~43、~75 cm-1处有振荡的激发态相干核波包，分别涉及I-Pb-I键的骨架弯曲、平面内弯曲和c轴拉伸。这些波包运动的振幅反映了激发态结构变化的大小，特别是弯曲和伸长的八面体PbI64-几何结构的形成。此外，我们还利用正模投影法确定了中性点和极化子之间的理论激发态几何形状和结构变化，该方法支持并使实验结果合理化。因此，本研究揭示了钙钛矿中通过核动力学形成的极化子，这对于有效的电荷分离和收集是很重要的。

文章来自Phys，原文题目为Shining light on excited-state dynamics in perovskite materials，由材料科技在线汇总整理。