近期，中科院合肥物質(zhì)院固體所計算物理與量子材料研究部丁俊峰研究員團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)二維層狀半導(dǎo)體PbI2在壓力下半金屬轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)的光電性能顯著增強(qiáng)，并將光譜響應(yīng)范圍拓展到紅外波段。相關(guān)結(jié)果以“Semiconductor–Semimetal Transition-Driven Photocurrent Spurt and Infrared Band Response in Lead Iodide at High Pressure”為題發(fā)表在Advanced Optical Materials （Adv. Opt. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adom.202300316）上。

 PbI2作為一種典型的半導(dǎo)體材料，憑借其良好的物理性質(zhì)，成為射線探測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來，PbI2作為鈣鈦礦太陽能電池的前驅(qū)體受到了廣泛關(guān)注。由于帶隙的限制，過去對于PbI2光電性能的研究主要集中在X射線和γ射線范圍。高壓作為基礎(chǔ)熱力學(xué)參量，為在不改變材料成分的前提下調(diào)控材料物性提供了有效的方法。因此，通過高壓技術(shù)對PbI2的基本結(jié)構(gòu)和物性進(jìn)行調(diào)節(jié)，有望加深對其構(gòu)效關(guān)系的理解，實現(xiàn)性能的提升。

 研究團(tuán)隊利用金剛石對頂砧（DAC）技術(shù)，結(jié)合光電流測量技術(shù)、超快泵浦探測、拉曼光譜、XRD、吸收光譜、電輸運(yùn)測量、第一性原理計算，系統(tǒng)的研究了PbI2在高壓下的結(jié)構(gòu)相變、帶隙演化和光電響應(yīng)行為，取得了系列研究成果。研究團(tuán)隊闡明了PbI2在高壓下的結(jié)構(gòu)相變過程，解決了對其高壓相圖的長期爭議(Appl. Phys. Lett. 120, 052106 (2022))；發(fā)現(xiàn)了PbI2在高壓下的金屬化行為，并發(fā)現(xiàn)其晶體結(jié)構(gòu)相變與電子結(jié)構(gòu)相變的不一致性(Appl. Phys. Lett. 120, 212104 (2022))；進(jìn)一步深入研究了PbI2在高壓下的電子結(jié)構(gòu)相變過程。通過高壓吸收光譜發(fā)現(xiàn)PbI2的帶隙在結(jié)構(gòu)相變處閉合，而電荷輸運(yùn)的結(jié)果顯示其仍然是非金屬。第一性原理計算分析表明，高壓下的電輸運(yùn)異常是由于半導(dǎo)體-半金屬轉(zhuǎn)變。超快光譜在相變點(diǎn)附近載流子弛豫壽命的突然下降進(jìn)一步驗證了PbI2中的半導(dǎo)體-半金屬轉(zhuǎn)變。高壓下PbI2的半導(dǎo)體-半金屬轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)可見光下光電流的顯著增強(qiáng)，光譜響應(yīng)范圍從可見光波段拓展到大于波長1550 nm 的紅外區(qū)域。該研究中壓力誘導(dǎo)材料的半金屬化為設(shè)計具備寬波段響應(yīng)的高性能光電探測器提供了全新的思路。

合肥物質(zhì)院丁俊峰研究員、張潔研究員為論文共同通訊作者，博士生程鵬為論文第一作者。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金和中科院創(chuàng)新項目的支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202300316

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0081461

https://doi.org/10.1063/5.0095525

圖1. PbI2在可見光照下的光電流。

圖2. PbI2在高壓下的超快動力學(xué)。