二維（2D）鹵化物鈣鈦礦具有獨特且可調控的光電特性和優於三維（3D）體系的穩定性，在光伏器件、發光二極體和光電探測器等領域均具有巨大的應用前景。近些年來二維鈣鈦礦新材料的開發與最佳化已經取得了重大進展，但仍存在一些關鍵性問題亟待解決，比如結構調控如何影響其激子（電子-空穴對）特性等。對結構物性關係的深入理解是可控設計合成高效能新材料的關鍵，需要合適的材料體系，有效的調節手段和先進的原位表徵方法。

北京高壓科學研究中心（HPSTAR）呂旭傑研究員課題組與美國西北大學Kanatzidis教授團隊等合作，利用高壓技術對全無機2D鈣鈦礦Cs2PbI2Cl2的晶體結構和激子特性進行了有效的調控，實現了其光電效能的大幅提升並系統研究了其構性關係。相關成果以題為“Enhanced Photocurrent of All-Inorganic Two-Dimensional Perovskite Cs2PbI2Cl2 via Pressure-Regulated Excitonic Features”近期發表於Journal of the American Chemical Society, 並被選為當期的封面文章。北京高壓科學研究中心的郭嵩蒿博士為文章的第一作者，呂旭傑研究員為文章的通訊作者。

論文連結：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c11730

與有機-無機雜化二維鈣鈦礦相比，全無機2D鈣鈦礦Cs2PbI2Cl2具有明顯小的層間距離，它賦予了該材料獨特的激子特性。該團隊透過高壓調控顯著提升了Cs2PbI2Cl2的光電效能，與初始數值相比，在2 GPa的壓力下實現了其光電導三個數量級的增加。多種原位實驗表徵手段和第一性原理計算結果表明壓力對Cs2PbI2Cl2的激子效能的改變而導致了其光電效能的提升。

“Cs2PbI2Cl2介電限域在壓縮過程中被大幅抑制，從而降低對電子與空穴之間庫侖相互作用的遮蔽效應，因此，Cs2PbI2Cl2的激子結合能從常壓的133 meV降至2 GPa下的78 meV，達到與典型3D鹵化物鈣鈦礦接近的值，”呂旭傑研究員解釋到。進一步的壓縮會引起Cs2PbI2Cl2晶體結構中的[PbI2Cl4]八面體的滑動，最終導致了Cs2PbI2Cl2晶體結構的轉變。有趣的是，在Cs2PbI2Cl2相變過程中，由於[PbI2Cl4]八面體沿滑動方向收縮而在垂直於滑動方向膨脹，因此Cs2PbI2Cl2最終表現為負線性的壓縮，這也是首次在鹵化物鈣鈦礦材料中觀察到了異常的負線性壓縮現象。

圖1. Cs2PbI2Cl2中壓力誘導的光電導增強和激子結合能降低

“我們利用壓力來調控二維鹵化物鈣鈦礦的激子特性，使得其可以獲得像三維鈣鈦礦的一樣優異的光電特性，同時不會失去其獨特的優勢，這使這些二維材料在光伏和光電探測器中具有更好的前景，”呂旭傑研究說到。

呂旭傑簡介

北京高壓科學研究中心研究員，博士生導師。主要從事高壓功能材料及其多維度調控研究。重點聚焦光電材料，包括金屬鹵化物材料，過渡金屬氧化物和硫族化合物等。採用先進的同步輻射和物性表徵技術，原位觀測材料在外部刺激下（包括壓力、溫度、磁場、鐳射、電磁輻射等），其結構和性質的變化，並深入理解其變化規律。另外，利用高壓和高低溫等極端條件探索常規方法無法獲得的新材料和新結構，並透過奈米複合薄膜的設計生長在常壓下實現新效能，尋求其在能源轉換和儲存方面的應用。近年來發表了包括Nature，J.Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed. 等在內的SCI論文70多篇，總引用超過5000次，H因子為37。課題組網頁：https://www.x-mol.com/groups/lv_xujie

*感謝論文作者團隊對本文的大力支援。