研究人员展示激发电子可以拉直钙钛矿纳米晶体的倾斜晶格

来自苏黎世联邦理工学院、Empa 和斯坦福大学的研究人员拍摄了钙钛矿纳米晶体因激发电子而变形时的晶体结构快照。令他们惊讶的是，变形使倾斜的晶体结构变直，而不是使其更加无序。

如果能够观察材料内部并实时观察其原子和电子的摆动，许多科学和技术问题都可以轻松解决。卤化物钙钛矿是一类矿物，近年来因其在太阳能电池和量子技术等领域的应用而变得非常受欢迎，物理学家长期以来一直试图了解其优异的光学特性。

由苏黎世联邦理工学院的努里·亚兹达尼 (Nuri Yazdani) 和凡妮莎·伍德 (Vanessa Wood) 以及斯坦福大学的亚伦·林登伯格 (Aaron Lindenberg) 领导的研究小组，以及杜本多夫 Empa 的同事，现在通过研究纳米晶体内原子随时间的运动，在我们对钙钛矿的理解方面取得了重大进展。分辨率为十亿分之几秒。他们最近在《自然物理学》上发表了他们的发现。

“卤化物钙钛矿非常适合许多光电应用，”亚兹达尼说。“但在某些方面令人困惑的是，这类材料如何能够表现出如此出色的光学和电子特性。” 钙钛矿是与钛酸钙(CaTiO 3)(“原始”钙钛矿)具有相同类型晶体结构的矿物质。

研究人员知道，当钙钛矿吸收光时，被激发到更高能量的电子与材料内部的声子强烈耦合。声子是晶体中原子的集体振动，类似于声波。“通常人们可以将晶体内每个原子的平均位置视为固定的，但当电子的光激发导致晶格的大规模重组时，这就不再可能了，”亚兹达尼解释道。因此，研究人员必须回答的问题是：钙钛矿中的激发电子如何改变晶格的形状?

观察纳米晶体的内部

为了一睹 Empa 由 Maryna Bodnarchuk 和 ETH 教授 Maksym Kovalenko 合成的钙钛矿(甲脒溴化铅)的内部结构，研究人员使用了斯坦福国家加速器实验室 (SLAC) 的超快电子衍射束线设备，该设备可产生持续时间非常短的电子脉冲。只有一百飞秒，或百万分之一秒。然后这些电子撞击尺寸约为 10 纳米的钙钛矿纳米晶体，衍射电子被收集在屏幕上。

由于电子是行为类似波的量子粒子，因此在从材料内部的原子衍射后，电子波会产生相长或相消干涉，具体取决于原子的位置和衍射方向，就像从双缝中射出的光一样。即使是晶体结构的微小变化也可以通过这种方式测量。

ETH 研究人员利用 SLAC 光束线的特殊功能在吸收光子期间和之后拍摄晶体结构的快照：通过使用同一激光产生光子并触发电子脉冲，他们能够控制通过改变光子必须行进的距离来改变光子相对于电子到达纳米晶体的时间。通过对数百皮秒(十亿分之一秒)内的快照进行分析，可以看到光激发电子引起的晶格变形是如何随时间演变的。

对称性的惊人增加

结果令研究人员大吃一惊。他们原本预计会看到晶格的变形，这会导致其对称性降低。相反，他们观察到对称性增加的转变——激发的电子稍微拉直了钙钛矿的倾斜晶体结构。

从模型计算中，他们能够推断出几个激子(受激电子的束缚对和受激留下的带正电的空穴)可以合作拉直晶格。由于这降低了它们的总能量，激子有效地相互吸引。

定制钙钛矿的光学特性

“了解电子-声子耦合的起源将使生产具有针对特定应用量身定制的特定光学特性的钙钛矿变得更加容易，”亚兹达尼说。例如，用于下一代电视屏幕的钙钛矿纳米晶体可以涂在另一种材料的外壳中，以减少电子声子耦合，从而减少发射光的光谱线宽。2022 年，《自然·物理学》论文的几位合著者已经证明了这一点。

此外，由于激子之间的吸引力相互作用类似于允许电流在超导体中流动而不损失的机制，因此可以利用这种吸引力来增强电子传输。反过来，这可能有助于制造基于钙钛矿的 太阳能电池。