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二維有機無機雜化鈣鈦礦材料的層間相干聲子輸運性質
閱讀：1078 發布時間：2018-5-29
有機無機雜化鈣鈦礦材料，由于其激子束縛能級低、帶隙連續可調、載流子遷移率高、易于制備和自組裝等優點，因此在光電領域展現處巨大的應用前景。這一體系的晶格通常由有機陽離子與無機陰離子構成，以常見的CH3NH3PbI3(MAPbI3)為例，甲胺離子填充在(PbI3)-八面體的空隙之中，這樣的結構就像由有機層和無機層組成的天然超晶格結構[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，這一相中的有機層為兩層丁胺離子，而無機層的八面體具有層數可調的特性(zui高可調至10層)，因此看起來更像是一個天然的超晶格。
為了獲得樣品的聲速，需要預先測量樣品在不同波長下的折射率n。可以發現：隨著n的增加，折射率呈現單調遞增的趨勢。利用這一數據，研究人員計算得到了2D RPs系列樣品的聲速。可以發現，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，隨著無機層層數N的減少，聲速大致呈現下降的趨勢。
為了解釋這一現象，作者構建了一個簡易的“彈簧振子“模型，通過選擇合適的彈簧力學常數，獲得了與實驗結果相一致的理論計算值。并且，當 N趨向于無窮時(即可視為MAPbI3)，模擬結果與對應材料的實驗數值相近，進一步驗證了模型的可靠性。
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，這一相中的有機層為兩層丁胺離子，而無機層的八面體具有層數可調的特性(zui高可調至10層)，因此看起來更像是一個天然的超晶格。
為了獲得樣品的聲速，需要預先測量樣品在不同波長下的折射率n。可以發現：隨著n的增加，折射率呈現單調遞增的趨勢。利用這一數據，研究人員計算得到了2D RPs系列樣品的聲速。可以發現，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，隨著無機層層數N的減少，聲速大致呈現下降的趨勢。
為了解釋這一現象，作者構建了一個簡易的“彈簧振子“模型，通過選擇合適的彈簧力學常數，獲得了與實驗結果相一致的理論計算值。并且，當 N趨向于無窮時(即可視為MAPbI3)，模擬結果與對應材料的實驗數值相近，進一步驗證了模型的可靠性。
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| (a)2DRPs帶隙以下區間折射率曲線；(b)2D RPs聲速測量結果與理論對比圖；(c)簡易彈簧振子模型示意圖；(d)理論結算與實驗符合的彈性常數組合示意圖；(e)利用優化參數模擬2D RPs層間彈性模量隨無機層數變化示意圖；(f)利用優化參數模擬2D RPs層間聲速隨無機層數變化示意圖。 |
2DRPs呈現遠低于體塊MAPbI3單晶的熱導率，作者總結主要有兩點原因：首先，有機層與無機層之間較大的聲阻抗失配，經計算，無機層的聲阻抗為1.11×107kg m-2s-1，而有機層的聲阻抗為9.25×105kg m-2 s-1，如此巨大的阻抗差異足以導致聲速的極大降低；其次，有機層內主要是以范德瓦耳斯鍵結合的，從晶格結構圖可以看出，2D RPs中的有機層為雙層丁胺離子，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)結合。
作為對比，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中進行了對照實驗，實驗得到的(HA)PbI4層間聲速為1939m s-1，結合相應的模型修正，作者證明了范德瓦耳斯鍵的存在確實顯著地降低了相干聲子速度。
作為對比，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中進行了對照實驗，實驗得到的(HA)PbI4層間聲速為1939m s-1，結合相應的模型修正，作者證明了范德瓦耳斯鍵的存在確實顯著地降低了相干聲子速度。
2DRPs呈現遠低于體塊MAPbI3單晶的熱導率，作者總結主要有兩點原因：首先，有機層與無機層之間較大的聲阻抗失配，經計算，無機層的聲阻抗為1.11×107kg m-2s-1，而有機層的聲阻抗為9.25×105kg m-2 s-1，如此巨大的阻抗差異足以導致聲速的極大降低；其次，有機層內主要是以范德瓦耳斯鍵結合的，從晶格結構圖可以看出，2D RPs中的有機層為雙層丁胺離子，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)結合。
作為對比，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中進行了對照實驗，實驗得到的(HA)PbI4層間聲速為1939m s-1，結合相應的模型修正，作者證明了范德瓦耳斯鍵的存在確實顯著地降低了相干聲子速度。
原文引自“兩江科技評論”公眾號。
原文地址:https://mp...com/s/mdsUGjgp_qZyyeOtW6W-
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| (a)(HA)PbI4瞬態反射測量結果圖；(b)(HA)PbI4與2D RPs結構對比圖；(c)模擬L與kd對應聲速示意圖；(d)2D RPs與MAPbI3△R/R隨時間變化示意圖；(e)d圖淺藍色標注處的△R/R振幅與計算得到振子平均位移隨N變化示意圖；(f)2D RPs，(HA)PbI4與MAPbI3縱波聲學聲子相干時間對比圖。 |