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受到光照，半導體會產生載流子——電子和空穴，兩者因帶有相反的電荷在靜電吸引力作用下被“捆綁”在一起，形成激子。與自由的電子和空穴相比，激子具有更高的發光效率，因而在發光和顯示器件領域具有潛在應用價值。但在太陽能電池等光伏應用中，大量存在的激子不利於正負電荷的分離提取，使太陽能電池效率大幅降低。因此，研究半導體中激子與自由載流子之間相互轉化的動態過程，對材料和器件的合理應用具有重要的指導意義。
記者近日從中國科學院大連化學物理研究所獲悉，該所研究員金盛燁、田文明等在（準）二維鈣鈦礦激子解離動力學研究中取得新進展。該團隊透過超快時間分辨光譜學技術，首次直接觀測到二維鈣鈦礦中快速的動態激子解離過程，並由此提出論證了由極化子遮蔽效應誘導的激子解離新機制。
作為一類天然的量子阱材料和優質的半導體介質，二維鈣鈦礦穩態激子結合能相比傳統的三維鈣鈦礦大幅提高，達到數百毫電子伏特，使激子難以在室溫下解離。
此前的傳統觀點認為，二維鈣鈦礦中光生載流子主要以激子的形式存在，在室溫下難以解離形成自由載流子，從而推測二維鈣鈦礦不適用於太陽能電池等光伏器件。然而，近期的一些研究卻發現與之相背離的結果。研究團隊推測，此前的研究可能因為忽略了光生電荷與晶格之間的相互作用，從而使人們高估了二維鈣鈦礦的激子結合能。
為了驗證推測，該團隊透過飛秒超快光譜學技術等，首次在室溫下直接觀測到二維鈣鈦礦中快速的動態激子解離過程，證明二維鈣鈦礦中載流子在平衡狀態下主要以自由載流子的形式存在。這與此前報道的透過穩態吸收光譜等技術得出的較高激子結合能存在較大差異。
為了解釋這一反常的物理現象，該團隊進一步透過低溫光譜學等，提出由激子—極化子形成而誘導的激子解離機理，即激子透過與聲子之間強耦合作用形成激子—極化子，由於極化子的遮蔽作用大幅削弱電子—空穴間的庫倫作用力，使激發態激子結合能顯著降低，從而促進激子的快速解離。此外，還證明了激子解離以及後續的自由載流子非輻射覆合過程是限制二維鈣鈦礦熒光量子效率的主要因素。
該發現揭示了二維鈣鈦礦材料中可能普遍存在的極化激子解離特性，為二維鈣鈦礦材料在光伏和光電探測等器件中的應用提供了理論指導。
來源：中國科學院
