二維層狀鈣鈦礦憑借強(qiáng)空間量子限制效應(yīng)與弱介電屏蔽效應(yīng)，激子結(jié)合能在室溫下可以達(dá)到幾百meV，是研究激子超快物理過程的理想材料。相對(duì)于二維鉛基鈣鈦礦，二維錫基鈣鈦礦是一種無毒的環(huán)境友好型發(fā)光材料。然而，基于二維錫基鈣鈦礦發(fā)光器件的發(fā)光效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基于二維鉛基鈣鈦礦的發(fā)光器件。

目前的研究結(jié)果表明非極性光學(xué)聲子引起的變形勢(shì)主導(dǎo)了二維鉛基鈣鈦礦中激子帶間弛豫過程，然而在二維錫基鈣鈦礦發(fā)光機(jī)理的研究仍然存在很大爭(zhēng)議。爭(zhēng)議的焦點(diǎn)在于，在缺陷散射和聲子散射中，哪種散射主導(dǎo)了激子復(fù)合過程。存在爭(zhēng)議的主要原因?yàn)椋S層狀鈣鈦礦晶格結(jié)構(gòu)比較柔軟，這種特征會(huì)引起較強(qiáng)的激子-光學(xué)聲子散射效應(yīng)，進(jìn)而極易引起激子自俘獲現(xiàn)象，影響激子復(fù)合過程;其次，在二維錫基鈣鈦礦中，自俘獲態(tài)與晶格物理缺陷進(jìn)一步耦合形成非本征的激子俘獲態(tài)，影響激子復(fù)合過程。目前，尚未能夠辨別哪種散射過程主導(dǎo)二維錫基鈣鈦礦中激子復(fù)合的物理過程。

針對(duì)這一爭(zhēng)議問題，研究人員自主設(shè)計(jì)并搭建了具有溫場(chǎng)調(diào)控功能的瞬態(tài)吸收光譜系統(tǒng)。他們通過溫度依賴的瞬態(tài)吸收光譜實(shí)驗(yàn)研究、二維鈣鈦礦的陽離子調(diào)控工程與激子散射物理模型等實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，進(jìn)一步揭示了二維錫基鈣鈦礦發(fā)光機(jī)理，即缺陷散射引起的變形勢(shì)主導(dǎo)了激子復(fù)合過程，影響其發(fā)光效率，這與二維鉛基鈣鈦礦存在顯著不同。此外，研究結(jié)果表明二維錫基鈣鈦礦中激子弛豫過程可以分為三個(gè)部分：亞皮秒壽命的弛豫組分，是缺陷俘獲激子過程和熱激子引起帶隙重整化過程的相互競(jìng)爭(zhēng);壽命為~100 ps的弛豫組分是由激子帶間輻射復(fù)合過程引起，主要受帶電缺陷變形勢(shì)散射的影響，因此，該弛豫組分的弛豫速率隨溫度和缺陷態(tài)密度的降低而增加;納秒壽命的弛豫組分，是缺陷輔助的自俘獲態(tài)激子重組過程，包含了缺陷態(tài)輔助的激子輻射復(fù)合過程與非輻射復(fù)合過程。這些結(jié)果加深了對(duì)錫基鈣鈦礦材料非輻射復(fù)合過程的理解，為進(jìn)一步優(yōu)化二維錫基鈣鈦礦的發(fā)光效率提供了方向性指導(dǎo)。

相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院項(xiàng)目的支持。

圖1 (a)陽離子調(diào)控工程的二維錫基鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)示意圖(b)二維錫基鈣鈦礦中激子弛豫物理過程的示意圖

圖2 四種具有不同晶格結(jié)構(gòu)特征的二維錫基鈣鈦礦材料的瞬態(tài)吸收光譜