【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室光電材料動(dòng)力學(xué)創(chuàng)新特區(qū)研究組研究員吳凱豐團(tuán)隊(duì)采用飛秒瞬態(tài)光譜技術(shù)，系統(tǒng)地研究了鈣鈦礦量子點(diǎn)體系的激子復(fù)合與自旋動(dòng)力學(xué)，揭示了量子點(diǎn)尺寸與組分對(duì)俄歇復(fù)合和自旋馳豫壽命的影響，并基于光學(xué)斯塔克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)自旋態(tài)能量的操縱，對(duì)理解鈣鈦礦量子點(diǎn)的基本光物理及其在光電和量子器件方面的應(yīng)用具有重要意義。
 

　　鉛鹵素鈣鈦礦材料在光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)了極大的應(yīng)用前景，基于鈣鈦礦的納米晶材料也在近期被廣泛研究。文獻(xiàn)中經(jīng)常籠統(tǒng)地將鈣鈦礦納米晶稱為量子點(diǎn)(QD)，而這些納米晶的尺寸通常在10 nm左右，大于材料的波爾激子直徑。嚴(yán)格意義上，小于波爾激子直徑的強(qiáng)限域納米晶才能稱為量子點(diǎn)。在強(qiáng)限域區(qū)間，QD表現(xiàn)出很多新奇的光物理性質(zhì)，比如尺寸可調(diào)的吸收和發(fā)射譜、顯著增強(qiáng)的多激子俄歇復(fù)合及其逆過程(多激子產(chǎn)生)、豐富的帶邊精細(xì)能級(jí)以及強(qiáng)烈離域到表面的載流子波函數(shù)等。吳凱豐團(tuán)隊(duì)在上較早開展強(qiáng)限域鈣鈦礦QD的光物理和光化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究，揭示了波函數(shù)離域增強(qiáng)的界面三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移(Nat. Commun.，2020；J. Am. Chem. Soc.，2019)及熱激子非絕熱馳豫(Chem. Sci.，2019)等現(xiàn)象。
 

　　在近期工作中，該團(tuán)隊(duì)基于尺寸及組分可調(diào)的一系列鉛鹵素鈣鈦礦QD樣品，系統(tǒng)研究了鈣鈦礦QD的雙激子俄歇復(fù)合動(dòng)力學(xué)。作為一種超快的非輻射復(fù)合方式，俄歇復(fù)合對(duì)于QD在激光器、發(fā)光二極管及光伏器件中的應(yīng)用具有重要影響。因此，有必要測(cè)量和理解鈣鈦礦QD的俄歇復(fù)合動(dòng)力學(xué)。該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦QD的俄歇壽命呈現(xiàn)出對(duì)QD體積的線性依賴關(guān)系，且俄歇壽命與A位陽(yáng)離子組分基本無關(guān)，但對(duì)陰離子組分敏感依賴。此外，所有鈣鈦礦QD的俄歇壽命都顯著短于傳統(tǒng)的CdSe和PbSe等QD材料。該團(tuán)隊(duì)基于帶間躍遷幾率和能帶結(jié)構(gòu)等物理參數(shù)對(duì)觀測(cè)到的壽命規(guī)律給出了半定量解釋。這些俄歇壽命的定標(biāo)規(guī)律(scaling law)為鈣鈦礦QD的器件應(yīng)用提供了重要的參考價(jià)值。
 

　　鉛鹵素鈣鈦礦除了應(yīng)用于光電器件以外，在自旋電子學(xué)和量子信息學(xué)領(lǐng)域也有重要的基礎(chǔ)研究?jī)r(jià)值。這是因?yàn)殂U元素導(dǎo)致強(qiáng)烈的自旋-軌道耦合，特別適合通過光學(xué)手段注入自旋并進(jìn)行自旋相關(guān)性質(zhì)的操縱。然而，自旋-軌道耦合在另一方面也導(dǎo)致快速的自旋翻轉(zhuǎn)，限制了光生載流子的自旋壽命。該團(tuán)隊(duì)提出，強(qiáng)限域的鈣鈦礦QD具有離散的帶邊能級(jí)，有可能通過抑制聲子散射的方式延長(zhǎng)自旋壽命。該團(tuán)隊(duì)采用圓偏振飛秒泵浦光共振激發(fā)自旋(或準(zhǔn)自旋)量子態(tài)，并利用具有相同或相反圓偏振的飛秒光探測(cè)量子態(tài)信號(hào)的衰退或增長(zhǎng)，以此獲得自旋翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)。研究結(jié)果表明，雖然量子限域可在一定程度抑制聲子散射機(jī)制，但QD中存在著納米尺寸誘導(dǎo)的超快自旋馳豫機(jī)制。這些機(jī)制包括電子-空穴交換作用，表面散射以及自旋與表面懸鍵自旋相互作用導(dǎo)致的自旋翻轉(zhuǎn)等，且在不同材料中存在普適性的尺寸依賴規(guī)律。這些物理規(guī)律為鈣鈦礦QD在自旋相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的研究基礎(chǔ)。
 

　　除了測(cè)量自旋壽命以外，該團(tuán)隊(duì)還基于圓偏振飛秒泵浦探測(cè)技術(shù)在室溫下實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈣鈦礦QD自旋態(tài)的純光學(xué)手段操縱，即光學(xué)斯塔克效應(yīng)(OSE)。量子限域使得鈣鈦礦QD的帶邊激子躍遷具有很大的振子強(qiáng)度，特別適合用于觀測(cè)OSE。該團(tuán)隊(duì)采用非共振的圓偏振飛秒光泵浦樣品，在采用相同偏振的飛秒光探測(cè)樣品時(shí)觀測(cè)到巨大的斯塔克位移，使得原本簡(jiǎn)并的自旋態(tài)能量劈裂達(dá)到近10 meV。根據(jù)斯塔克位移得到的QD帶邊躍遷偶極矩與文獻(xiàn)中各類材料報(bào)道的高值相當(dāng)。該結(jié)果表明，鈣鈦礦QD在基于光學(xué)自旋操縱的量子信息學(xué)領(lǐng)域確有重要應(yīng)用前景。
 

　　上述研究成果分別發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Ed.)、《美國(guó)化學(xué)會(huì)能源快報(bào)》(ACS Energy Lett.)及《物理化學(xué)快報(bào)》(J. Phys. Chem. Lett.)。相關(guān)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)B“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”、遼寧省興遼英才計(jì)劃項(xiàng)目等的資助。