近日，華南師範大學先進光電子研究院周國富教授團隊青年拔尖人才吳波研究員在銫銀鉍溴雙鈣鈦礦光電材料的超快光物理研究方面取得重要突破：揭示該材料中電子與聲學聲子強耦合的動力學過程以及其對光伏效能的影響，指導無鉛鈣鈦礦光伏研究。該成果以華南師範大學為第一單位發表在Science雜誌子刊《Science Advances》上，題為《Strong self-trapping by deformation potential limits photovoltaic performance in bismuth double perovskite》（Sci.Adv.2021,7,eabd3160）。吳波研究員為論文第一作者兼共同通訊作者，華南師範大學周國富教授、林雪平大學Gao Feng教授和南洋理工大學Sum Tze Chien為論文其他共同通訊作者。

材料中的電子與晶格的相互作用對材料的光學、電學輸運等性質起著至關重要的作用。如在光伏材料中，該微觀物理直接決定了其太陽能轉換效率的宏觀表象。因此，深入研究光伏材料中的電子晶格相互作用機制對設計新型光伏材料、提升其光伏轉換效率極具基礎性指導意義。超快光譜技術利用高能量的超短鐳射脈衝（飛秒量級，1飛秒=1E-15秒）瞬時激發光電材料，從而能以飛秒時間精度觀察到光電材料的光電性質變化，是研究材料中超快電子-晶格相互作用的先進技術手段。

吳波研究員與合作者結合超快光譜實驗技術（瞬態吸收光譜、時間分辨太赫茲光譜、時間分辨熒光光譜等）和第一性原理理論計算手段對銫銀鉍溴雙鈣鈦礦單晶和多晶薄膜的電子晶格相互作用機制展開了深入研究。銫銀鉍溴雙鈣鈦礦是在高效能鉛基鈣鈦礦光伏材料之後研發的一種新型光伏材料，相比於後者具有高穩定性、低毒性等優勢。但迄今為止，其光伏轉換效率仍遠低於後者，制約了其在光伏領域的進一步發展。

本項研究發現，銫銀鉍溴雙鈣鈦礦擁有較強的電子-聲學聲子相互作用（第一性原理理論計算形變勢能約為10 eV），遠超鉛基鈣鈦礦材料銫鉛溴以及傳統的無機半導體材料。激發態電子在與光學聲子耦合之後，在4.7 皮秒（1皮秒=1E-12秒）內迅速與高能量的聲學聲子耦合（聲學聲子平均能量約為 1 meV），被局域化在約3.7 nm的尺度範圍內形成自陷態。該過程導致電子的遷移率在皮秒時間尺度內迅速下降了70%，從而解釋了其時間平均載流子遷移率只有0.05 – 0.37 cm2s-1V-1，遠低於鉛基鈣鈦礦材料（1-100 cm2s-1V-1）。該項研究揭示了銫銀鉍溴雙鈣鈦礦作為光伏材料有著本徵侷限，對於新型光伏材料的設計有著一定的指導作用：應儘量避免選擇具有較軟晶格的鉍基、銻基等金屬化合物，該類材料容易產生較強的電子與多種聲子的耦合形成局域電子態，不利於電子的輸運。

周國富教授團隊青年拔尖人才吳波研究員負責的研究小組，近年來在光電材料的超快光物理研究上取得了系列重要進展，代表性成果以華南師範大學為第一單位先後發表在Nature雜誌子刊《Nature Communications》和Science雜誌子刊《Science Advances》各1篇，提升了我校在超快光物理研究領域的國際影響力。

以上突破性成果的取得，得益於我校高階人才引育政策和國家級國際科技合作平臺的重要支撐，展現了我校師資培養工作以及基礎學科研究的最新進展。相關課題的持續深入研究將進一步夯實我校“雙一流建設學科”物理學的科研力量。

論文連結：

https://advances.sciencemag.org/content/7/8/eabd3160.full