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二維有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦材料的層間相干聲子輸運(yùn)性質(zhì)
閱讀：976 發(fā)布時(shí)間：2018-5-29
有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦材料，由于其激子束縛能級(jí)低、帶隙連續(xù)可調(diào)、載流子遷移率高、易于制備和自組裝等優(yōu)點(diǎn)，因此在光電領(lǐng)域展現(xiàn)處巨大的應(yīng)用前景。這一體系的晶格通常由有機(jī)陽離子與無機(jī)陰離子構(gòu)成，以常見的CH3NH3PbI3(MAPbI3)為例，甲胺離子填充在(PbI3)-八面體的空隙之中，這樣的結(jié)構(gòu)就像由有機(jī)層和無機(jī)層組成的天然超晶格結(jié)構(gòu)[1]。
而本文作者研究的體系則是二維特性更加明顯的Ruddlesden-Popper（2D RPs）相(CH3(CH2)3NH3)2(CH3NH3)N-1PbNI3N+1((BA)2(MA)N-1PbNI3N+1)。與之前提到的體系相比，這一相中的有機(jī)層為兩層丁胺離子，而無機(jī)層的八面體具有層數(shù)可調(diào)的特性(zui高可調(diào)至10層)，因此看起來更像是一個(gè)天然的超晶格。
為了獲得樣品的聲速，需要預(yù)先測(cè)量樣品在不同波長(zhǎng)下的折射率n?？梢园l(fā)現(xiàn)：隨著n的增加，折射率呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢(shì)。利用這一數(shù)據(jù)，研究人員計(jì)算得到了2D RPs系列樣品的聲速?？梢园l(fā)現(xiàn)，與體塊MAPbI3的聲速(2340-2990m s-1)相比，2D RPs具有更低的層間聲速(1432m-1637m s-1)；并且，隨著無機(jī)層層數(shù)N的減少，聲速大致呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。
為了解釋這一現(xiàn)象，作者構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)易的“彈簧振子“模型，通過選擇合適的彈簧力學(xué)常數(shù)，獲得了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致的理論計(jì)算值。并且，當(dāng) N趨向于無窮時(shí)(即可視為MAPbI3)，模擬結(jié)果與對(duì)應(yīng)材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)值相近，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的可靠性。
而本文作者研究的體系則是二維特性更加明顯的Ruddlesden-Popper（2D RPs）相(CH3(CH2)3NH3)2(CH3NH3)N-1PbNI3N+1((BA)2(MA)N-1PbNI3N+1)。與之前提到的體系相比，這一相中的有機(jī)層為兩層丁胺離子，而無機(jī)層的八面體具有層數(shù)可調(diào)的特性(zui高可調(diào)至10層)，因此看起來更像是一個(gè)天然的超晶格。
為了獲得樣品的聲速，需要預(yù)先測(cè)量樣品在不同波長(zhǎng)下的折射率n?？梢园l(fā)現(xiàn)：隨著n的增加，折射率呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢(shì)。利用這一數(shù)據(jù)，研究人員計(jì)算得到了2D RPs系列樣品的聲速?？梢园l(fā)現(xiàn)，與體塊MAPbI3的聲速(2340-2990m s-1)相比，2D RPs具有更低的層間聲速(1432m-1637m s-1)；并且，隨著無機(jī)層層數(shù)N的減少，聲速大致呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。
為了解釋這一現(xiàn)象，作者構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)易的“彈簧振子“模型，通過選擇合適的彈簧力學(xué)常數(shù)，獲得了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致的理論計(jì)算值。并且，當(dāng) N趨向于無窮時(shí)(即可視為MAPbI3)，模擬結(jié)果與對(duì)應(yīng)材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)值相近，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的可靠性。
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| (a)2DRPs帶隙以下區(qū)間折射率曲線；(b)2D RPs聲速測(cè)量結(jié)果與理論對(duì)比圖；(c)簡(jiǎn)易彈簧振子模型示意圖；(d)理論結(jié)算與實(shí)驗(yàn)符合的彈性常數(shù)組合示意圖；(e)利用優(yōu)化參數(shù)模擬2D RPs層間彈性模量隨無機(jī)層數(shù)變化示意圖；(f)利用優(yōu)化參數(shù)模擬2D RPs層間聲速隨無機(jī)層數(shù)變化示意圖。 |
2DRPs呈現(xiàn)遠(yuǎn)低于體塊MAPbI3單晶的熱導(dǎo)率，作者總結(jié)主要有兩點(diǎn)原因：首先，有機(jī)層與無機(jī)層之間較大的聲阻抗失配，經(jīng)計(jì)算，無機(jī)層的聲阻抗為1.11×107kg m-2s-1，而有機(jī)層的聲阻抗為9.25×105kg m-2 s-1，如此巨大的阻抗差異足以導(dǎo)致聲速的極大降低；其次，有機(jī)層內(nèi)主要是以范德瓦耳斯鍵結(jié)合的，從晶格結(jié)構(gòu)圖可以看出，2D RPs中的有機(jī)層為雙層丁胺離子，而這兩層離子之間是以作用力較弱的范德瓦耳斯鍵(即分子間作用力)結(jié)合。
作為對(duì)比，作者在另一種沒有范德瓦耳斯鍵存在的2D雜化鈣鈦礦材料(HA)PbI4中進(jìn)行了對(duì)照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得到的(HA)PbI4層間聲速為1939m s-1，結(jié)合相應(yīng)的模型修正，作者證明了范德瓦耳斯鍵的存在確實(shí)顯著地降低了相干聲子速度。
作為對(duì)比，作者在另一種沒有范德瓦耳斯鍵存在的2D雜化鈣鈦礦材料(HA)PbI4中進(jìn)行了對(duì)照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得到的(HA)PbI4層間聲速為1939m s-1，結(jié)合相應(yīng)的模型修正，作者證明了范德瓦耳斯鍵的存在確實(shí)顯著地降低了相干聲子速度。
2DRPs呈現(xiàn)遠(yuǎn)低于體塊MAPbI3單晶的熱導(dǎo)率，作者總結(jié)主要有兩點(diǎn)原因：首先，有機(jī)層與無機(jī)層之間較大的聲阻抗失配，經(jīng)計(jì)算，無機(jī)層的聲阻抗為1.11×107kg m-2s-1，而有機(jī)層的聲阻抗為9.25×105kg m-2 s-1，如此巨大的阻抗差異足以導(dǎo)致聲速的極大降低；其次，有機(jī)層內(nèi)主要是以范德瓦耳斯鍵結(jié)合的，從晶格結(jié)構(gòu)圖可以看出，2D RPs中的有機(jī)層為雙層丁胺離子，而這兩層離子之間是以作用力較弱的范德瓦耳斯鍵(即分子間作用力)結(jié)合。
作為對(duì)比，作者在另一種沒有范德瓦耳斯鍵存在的2D雜化鈣鈦礦材料(HA)PbI4中進(jìn)行了對(duì)照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得到的(HA)PbI4層間聲速為1939m s-1，結(jié)合相應(yīng)的模型修正，作者證明了范德瓦耳斯鍵的存在確實(shí)顯著地降低了相干聲子速度。
原文引自“兩江科技評(píng)論”公眾號(hào)。
原文地址:https://mp...com/s/mdsUGjgp_qZyyeOtW6W-
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| (a)(HA)PbI4瞬態(tài)反射測(cè)量結(jié)果圖；(b)(HA)PbI4與2D RPs結(jié)構(gòu)對(duì)比圖；(c)模擬L與kd對(duì)應(yīng)聲速示意圖；(d)2D RPs與MAPbI3△R/R隨時(shí)間變化示意圖；(e)d圖淺藍(lán)色標(biāo)注處的△R/R振幅與計(jì)算得到振子平均位移隨N變化示意圖；(f)2D RPs，(HA)PbI4與MAPbI3縱波聲學(xué)聲子相干時(shí)間對(duì)比圖。 |