近期，中科院合肥物質(zhì)院固體所計算物理與量子材料研究部丁俊峰研究員團隊發(fā)現二維層狀半導體PbI2在壓力下，半金屬轉變誘導的光電性能顯著(zhù)增強，并將光譜響應范圍拓展到紅外波段。相關(guān)結果發(fā)表在Advanced Optical Materials上。
PbI2作為一種典型的半導體材料，憑借其良好的物理性質(zhì)，成為射線(xiàn)探測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，PbI2作為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的前驅體受到了廣泛關(guān)注。由于帶隙的限制，過(guò)去對于PbI2光電性能的研究主要集中在X射線(xiàn)和γ射線(xiàn)范圍。高壓作為基礎熱力學(xué)參量，為在不改變材料成分的前提下調控材料物性提供了有效的方法。因此，通過(guò)高壓技術(shù)對PbI2的基本結構和物性進(jìn)行調節，有望加深對其構效關(guān)系的理解，實(shí)現性能的提升。
研究團隊利用金剛石對頂砧（DAC）技術(shù)，結合光電流測量技術(shù)、超快泵浦探測、拉曼光譜、XRD、吸收光譜、電輸運測量、第一性原理計算，系統的研究了PbI2在高壓下的結構相變、帶隙演化和光電響應行為，取得了系列研究成果。研究團隊闡明了PbI2在高壓下的結構相變過(guò)程，解決了對其高壓相圖的長(cháng)期爭議(Appl. Phys. Lett. 120, 052106 (2022))；發(fā)現了PbI2在高壓下的金屬化行為，并發(fā)現其晶體結構相變與電子結構相變的不一致性(Appl. Phys. Lett. 120, 212104 (2022))；進(jìn)一步深入研究了PbI2在高壓下的電子結構相變過(guò)程。通過(guò)高壓吸收光譜發(fā)現PbI2的帶隙在結構相變處閉合，而電荷輸運的結果顯示其仍然是非金屬。第一性原理計算分析表明，高壓下的電輸運異常是由于半導體-半金屬轉變。超快光譜在相變點(diǎn)附近載流子弛豫壽命的突然下降進(jìn)一步驗證了PbI2中的半導體-半金屬轉變。高壓下PbI2的半導體-半金屬轉變誘導可見(jiàn)光下光電流的顯著(zhù)增強，光譜響應范圍從可見(jiàn)光波段拓展到大于波長(cháng)1550 nm 的紅外區域。該研究中壓力誘導材料的半金屬化為設計具備寬波段響應的高性能光電探測器提供了全新的思路。
圖1. PbI2在可見(jiàn)光照下的光電流。
圖2. PbI2在高壓下的超快動(dòng)力學(xué)。
