beat365官方网站現代光學研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室極端光學創新研究團隊王樹峰副教授和龔旗煌院士等在鈣钛礦表面缺陷動力學研究中取得重要進展。他們利用飛秒時間分辨光電子顯微鏡，實現了對單晶鈣钛礦CsPbBr₃體相淺能級缺陷态和表面深能級缺陷态的時空分辨動力學觀測。

金屬鹵化物鈣钛礦具有衆多優良的光電特性，近年來被廣泛應用于太陽能電池、納米激光器、光電探測器等光電器件的研究。雖然鈣钛礦光伏器件的光電轉換效率已經達到25.5%，但是與理論極限仍然存在差距。衆多研究表明，缺陷态控制是提高鈣钛礦光電器件性能的重要方法，對鈣钛礦材料中缺陷态的研究有利于器件的進一步優化與設計。

圖1 時間分辨光電子顯微系統示意圖

實驗上，研究團隊利用研制的飛秒時間分辨光電子顯微系統（fs-PEEM），對無機鈣钛礦CsPbBr₃晶片進行時空特性研究（圖1）。光電子成像系統可以探測超快時間，超小空間和能量分辨三個維度的信息。根據缺陷态對光電子波長的選擇性，可明确識别出晶片内部局域的結構缺陷，以及晶體表面均勻分布的淺層缺陷（圖2(a,b)）；能量譜顯示了體内結構缺陷屬于淺能級缺陷，而廣泛存在于表面的則屬于深能級缺陷（圖2(c,d)）；時間分辨表面光電子動力學的結果則表明鈣钛礦表面動力學由表面的特性控制；而内部結構缺陷對動力學則幾乎沒有影響，即鈣钛礦對結構的缺陷具有高容忍性（圖2(e,f)）。

時間分辨能量譜（圖3）則進一步揭示了處于高激發态的電子以皮秒尺度轉移至表面缺陷态并被束縛，缺陷态的動力學占據了表面電子弛豫的主要部分，導帶自由電子的衰減在表面隻占有很小的比例。這種動力學特性是鈣钛礦表面動力學的主要特征，均勻地分布在整個鈣钛礦表面。這表明了制約鈣钛礦性能的主要因素是材料表面的深能級缺陷，表面缺陷鈍化對鈣钛礦材料器件的性能提升具有重要意義。

圖2 CsPbBr₃單晶光電子成像空間分辨、能譜分辨與時間分辨結果。(a,b)晶片在400nm和266nm激發下展現出體内和表面的缺陷态分布；(c,d)光電子能譜揭示了體内缺陷為淺能級缺陷而表面則為深能級缺陷；(e,f)三個特征區域的時間分辨光電子動态衰減，并聚焦了初始時刻~2-3ps的光電子強度增加。

圖3 CsPbBr₃表面光電子能譜動力學分析。（a）四個随時間演化的特征光電子能譜結構；（b）各個結構的強度随時間的演化。

2021年3月24日，相關研究成果以“Mapping Trap Dynamics in a CsPbBr₃ Single-Crystal Microplate by Ultrafast Photoemission Electron Microscopy”為題，在線發表于《納米快報》（Nano Letters）；第一作者是beat365官方网站2016級博士研究生劉偉；主要合作者有beat365官方网站戴倫教授、呂國偉研究員等。

上述工作得到國家自然科學基金重大科研儀器設備研制項目及國家重點研發計劃等支持。

論文原文鍊接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00014