JACS封面：高压调控实现二维卤化物钙钛矿光电性
二维（2D）卤化物钙钛矿具有独特且可调控的光电特性和优于三维（3D）体系的稳定性，在光伏器件、发光二极管和光电探测器等领域均具有巨大的应用前景。近些年来二维钙钛矿新材料的开发与优化已经取得了重大进展，但仍存在一些关键性问题亟待解决，比如结构调控如何影响其激子（电子-空穴对）特性等。对结构物性关系的深入理解是可控设计合成高性能新材料的关键，需要合适的材料体系，有效的调节手段和先进的原位表征方法。
北京高压科学研究中心（HPSTAR）吕旭杰研究员课题组与美国西北大学Kanatzidis教授团队等合作，利用高压技术对全无机2D钙钛矿Cs2PbI2Cl2的晶体结构和激子特性进行了有效的调控，实现了其光电性能的大幅提升并系统研究了其构性关系。相关成果以题为“Enhanced Photocurrent of All-Inorganic Two-Dimensional Perovskite Cs2PbI2Cl2 via Pressure-Regulated Excitonic Features”近期发表于Journal of the American Chemical Society, 并被选为当期的封面文章。北京高压科学研究中心的郭嵩蒿博士为文章的第一作者，吕旭杰研究员为文章的通讯作者。
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与有机-无机杂化二维钙钛矿相比，全无机2D钙钛矿Cs2PbI2Cl2具有明显小的层间距离，它赋予了该材料独特的激子特性。该团队通过高压调控显著提升了Cs2PbI2Cl2的光电性能，与初始数值相比，在2 GPa的压力下实现了其光电导三个数量级的增加。多种原位实验表征手段和第一性原理计算结果表明压力对Cs2PbI2Cl2的激子性能的改变而导致了其光电性能的提升。
“Cs2PbI2Cl2介电限域在压缩过程中被大幅抑制，从而降低对电子与空穴之间库仑相互作用的屏蔽效应，因此，Cs2PbI2Cl2的激子结合能从常压的133 meV降至2 GPa下的78 meV，达到与典型3D卤化物钙钛矿接近的值，”吕旭杰研究员解释到。进一步的压缩会引起Cs2PbI2Cl2晶体结构中的[PbI2Cl4]八面体的滑动，最终导致了Cs2PbI2Cl2晶体结构的转变。有趣的是，在Cs2PbI2Cl2相变过程中，由于[PbI2Cl4]八面体沿滑动方向收缩而在垂直于滑动方向膨胀，因此Cs2PbI2Cl2最终表现为负线性的压缩，这也是首次在卤化物钙钛矿材料中观察到了异常的负线性压缩现象。
图1. Cs2PbI2Cl2中压力诱导的光电导增强和激子结合能降低
“我们利用压力来调控二维卤化物钙钛矿的激子特性，使得其可以获得像三维钙钛矿的一样优异的光电特性，同时不会失去其独特的优势，这使这些二维材料在光伏和光电探测器中具有更好的前景，”吕旭杰研究说到。
吕旭杰简介
北京高压科学研究中心研究员，博士生导师。主要从事高压功能材料及其多维度调控研究。重点聚焦光电材料，包括金属卤化物材料，过渡金属氧化物和硫族化合物等。采用先进的同步辐射和物性表征技术，原位观测材料在外部刺激下（包括压力、温度、磁场、激光、电磁辐射等），其结构和性质的变化，并深入理解其变化规律。另外，利用高压和高低温等极端条件探索常规方法无法获得的新材料和新结构，并通过纳米复合薄膜的设计生长在常压下实现新性能，寻求其在能源转换和存储方面的应用。近年来发表了包括Nature，J.Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed. 等在内的SCI论文70多篇，总引用超过5000次，H因子为37。课题组网页：
文章来源：《高压物理学报》 网址: http://www.gywlxbzz.cn/zonghexinwen/2021/0302/400.html