研究人员开发并展示了一项技术，该技术使他们能够将一类称为层状混合钙钛矿(LHP)的材料设计到原子级，从而精确决定材料如何将电荷转化为光。该技术为设计用于下一代印刷LED和激光器的材料打开了大门，并为设计用于光伏设备的其他材料带来了希望。

钙钛矿由其晶体结构定义，具有理想的光学、电子和量子特性。LHP由极薄的钙钛矿半导体材料片组成，这些材料片之间由薄有机“间隔”层隔开。

LHP可以作为由多层钙钛矿和有机间隔层组成的薄膜铺设。这些材料之所以受欢迎，是因为它们可以有效地将电荷转化为光，有望用于下一代LED、激光器和光子集成电路。

然而，尽管LHP多年来一直受到研究界的关注，但人们对如何设计这些材料以控制其性能特征的了解甚少。

要了解研究人员的发现，必须从量子阱开始，量子阱是夹在间隔层之间的半导体材料片。

“我们知道量子阱是在LHP中形成的——它们是层，”该论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程教授AramAmassian说道。

了解量子阱的尺寸分布非常重要，因为在分子水平上，能量从高能结构流向低能结构。

“两个原子厚的量子阱比五个原子厚的量子阱具有更高的能量，”该论文的合著者、北卡罗来纳州立大学物理学教授KenanGundogdu说道。“为了使能量有效地流动，你需要在两个和五个原子厚的量子阱之间设置三个和四个原子厚的量子阱。你基本上希望有一个逐渐倾斜的斜率，以便能量可以向下流动。”

“但是研究LHP的人们不断遇到一个异常现象：可以通过X射线衍射检测到的LHP样本中的量子阱尺寸分布与可以使用光谱检测到的量子阱尺寸分布不同，”Amassian说。

“例如，衍射可能会告诉你，量子阱有两个原子厚，并且存在三维块体晶体，”Amassian说，“但光谱学可能会告诉你，量子阱有两个原子厚、三个原子厚和四个原子厚，以及三维块体相。

“因此，我们的第一个问题是：为什么我们会看到X射线衍射和光谱之间存在这种根本性的脱节?我们的第二个问题是：我们如何控制LHP中量子阱的尺寸和分布?”

通过一系列实验，研究人员发现，在回答这两个问题的过程中有一个关键因素：纳米血小板。

“纳米片是钙钛矿材料的单片，形成于我们用来制造LHP的溶液表面，”Amassian说道。“我们发现这些纳米片本质上充当了其下方形成的层状材料的模板。因此，如果纳米片有两个原子厚，则其下方的LHP会形成一系列两个原子厚的量子阱。

“然而，纳米片本身并不稳定，就像LHP材料的其他部分一样。相反，纳米片的厚度不断增长，随着时间的推移，增加新的原子层。因此，当纳米片有三个原子厚时，它会形成三原子量子阱，依此类推。最终，纳米片会变得非常厚，成为三维晶体。”

这一发现也解决了长期以来X射线衍射和光谱法为何得出不同结果的疑惑。衍射法检测的是薄片的堆叠，因此检测不到纳米片，而光谱法检测的是孤立的薄片。

“令人兴奋的是，我们发现我们可以用受控的方式基本上停止纳米片的生长，从根本上调整LHP薄膜中量子阱的大小和分布，”Amassian说。“通过控制量子阱的大小和排列，我们可以实现出色的能量级联——这意味着这种材料可以高效快速地汇集电荷和能量，以用于激光和LED应用。”

当研究人员发现纳米片在LHP中钙钛矿层的形成中起着如此关键的作用时，他们决定看看纳米片是否可以用来设计其他钙钛矿材料的结构和特性——例如用于在太阳能电池和其他光伏技术中将光转化为电能的钙钛矿。

“我们发现纳米片在其他钙钛矿材料中发挥着类似的作用，可以用来设计这些材料以增强所需的结构，提高其光伏性能和稳定性，”该论文的共同作者，北卡罗来纳州立大学ALCOA化学和生物分子工程教授MiladAbolhasani说。

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