近期，中國科學院上海光學精密機械研究所微納光電子功能材料實驗室與上海電力大學等合作，在二維錫基鈣钛礦中激子超快弛豫動力學研究方面取得進展。研究團隊揭示了二維錫基鈣钛礦的發光機理，證實了缺陷散射引起的變形勢主導了激子帶間弛豫的物理過程。相關成果發表于Nature Communications。

二維層狀鈣钛礦憑借強空間量子限制效應與弱介電屏蔽效應，激子結合能在室溫下可以達到幾百meV，是研究激子超快物理過程的理想材料。相對于二維鉛基鈣钛礦，二維錫基鈣钛礦是一種無毒的環境友好型發光材料。然而，基于二維錫基鈣钛礦發光器件的發光效率遠遠低于基于二維鉛基鈣钛礦的發光器件。

目前的研究結果表明非極性光學聲子引起的變形勢主導了二維鉛基鈣钛礦中激子帶間弛豫過程，然而在二維錫基鈣钛礦發光機理的研究仍然存在很大争議。争議的焦點在于，在缺陷散射和聲子散射中，哪種散射主導了激子複合過程。存在争議的主要原因為，二維層狀鈣钛礦晶格結構比較柔軟，這種特征會引起較強的激子-光學聲子散射效應，進而極易引起激子自俘獲現象，影響激子複合過程；其次，在二維錫基鈣钛礦中，自俘獲态與晶格物理缺陷進一步耦合形成非本征的激子俘獲态，影響激子複合過程。目前，尚未能夠辨别哪種散射過程主導二維錫基鈣钛礦中激子複合的物理過程。

針對這一争議問題，研究人員自主設計并搭建了具有溫場調控功能的瞬态吸收光譜系統。他們通過溫度依賴的瞬态吸收光譜實驗研究、二維鈣钛礦的陽離子調控工程與激子散射物理模型等實驗相結合，進一步揭示了二維錫基鈣钛礦發光機理，即缺陷散射引起的變形勢主導了激子複合過程，影響其發光效率，這與二維鉛基鈣钛礦存在顯著不同。此外，研究結果表明二維錫基鈣钛礦中激子弛豫過程可以分為三個部分：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争；壽命為~100 ps的弛豫組分是由激子帶間輻射複合過程引起，主要受帶電缺陷變形勢散射的影響，因此，該弛豫組分的弛豫速率随溫度和缺陷态密度的降低而增加；納秒壽命的弛豫組分，是缺陷輔助的自俘獲态激子重組過程，包含了缺陷态輔助的激子輻射複合過程與非輻射複合過程。這些結果加深了對錫基鈣钛礦材料非輻射複合過程的理解，為進一步優化二維錫基鈣钛礦的發光效率提供了方向性指導。

相關工作得到了國家自然科學基金委和中科院項目的支持。

圖1 （a）陽離子調控工程的二維錫基鈣钛礦晶體結構示意圖（b）二維錫基鈣钛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構特征的二維錫基鈣钛礦材料的瞬态吸收光譜

來源：中國科學院上海光學精密機械研究所