二維Ruddlesden−Popper鈣鈦礦（2D RPP）中的激子輸運性質對其光電性能起著主導性的作用，目前遇到的最大問題是載流子遷移率與3D鈣鈦礦相比，低約1—2個數量級。由於有機-無機雜化晶格中的強限域效應和復雜的激子-聲子相互作用，目前仍然缺乏激子傳輸特性的清晰光物理圖像🧑🏼‍⚕️。並且🗳，激子-激子湮滅🫅🏿、層間耦合和缺陷等因素也會影響2D RPP中的激子傳輸行為🦵🏻。因此👋🏻，盡管在激子傳輸方面取得了很大的進展，但激子輸運和晶格性質之間的明確關聯性，特別是關於激子和晶格相互作用的影響，仍然需要進一步探索😗。此外，如何通過調節激子-聲子相互作用來調整激子輸運特性對於基於2D鈣鈦礦的光電子應用來說也是迫切需要解決的問題💁🏻‍♂️👨🏿‍🚀。

近日，意昂3体育官网材料科學與工程學院張青副教授⏰，與國家納米科學中心劉新風研究員和華南師範大學吳波研究員聯合攻關🤸🏽‍♂️，運用時間分辨熒光顯微鏡技術（Time-Resolved Photoluminescence Microscopy, TRPLM）🧆，研究了二維Ruddlesden−Popper鈣鈦礦（2D RPP）中的激子輸運過程🏊‍♂️👫，通過在表面使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）剛性網絡錨定軟丁基銨陽離子的方法，在機械剝離的薄片中實現大幅度提升自由激子遷移率💟🤹‍♀️，從約7.6 cm² V^-1 s^-1提高到約280 cm² V^-1 s^-1（如圖1所示）。提高之後的載流子遷移率接近Mott-Ioffe-Regel準則的理論極限。相關研究成果以“Boosting Exciton Mobility Approaching Mott-Ioffe-Regel Limit in Ruddlesden−Popper Perovskites by Anchoring the Organic Cation”為題發表在Nature Communications雜誌上（DOI: 10.1038/s41467-024-45740-y）。

圖1. 蓋玻片和PMMA包裹的機械剝離(BA)₂PbI₄-RPP薄片中的激子傳輸性質對比

研究團隊使用時間分辨熒光顯微鏡技術，直接觀察了一系列物理剝離的(BA)₂(MA)_n1Pb_nI_3n+1 RPP薄片中的超快激子輸運過程，通過PMMA網狀結構錨定(BA)₂(MA)_n1Pb_nI_3n+1 RPP表面的BA分子，結合時間分辨熒光顯微成像技術💪🏿，觀察到了光生激子的快速擴散，其遷移率從無PMMA的7.6 cm² V^-1 s^-1提升到了280 cm² V^-1 s^-1，激子遷移率高出1—2個數量級🏭➡️，且符合了Mott-Ioffe-Regel（MIR）準則（如圖2所示）👮🏻。此時2D RPP中限域的激子輸運機製是局域跳躍輸運和半經典類帶輸運之間的中間情況✌🏽，它獨特地結合了這兩種描述的特征，表現出激子波函數離域和高結合能。

圖2. 接近Mott-Ioffe Regel極限的激子擴散性質

溫度依賴的熒光測量表明，PMMA剛性網絡可以將BA分子錨定在表面，導致晶格剛性提高和無序度降低🧜🏽‍♂️，這一點也得到了分子動力學（MD）模擬的證實。而且激子-聲子散射變形勢從4.0×10⁸ eV cm^-1下降至9.9×10⁷ eV cm^-1🏮🫏，激子散射時間和平均自由程大大增加👨🏻‍🎤，因此顯著改善了激子的輸運性質🚰。上述發現闡明了Ruddlesden−Popper鈣鈦礦中高激子遷移率的起源💁🏿‍♀️，揭示了激子輸運、晶格剛度和激子-晶格相互作用之間的強關聯性👩🏼‍💻。該研究通過調控電聲耦合強度實現了激子輸運性能的巨大突破，為調控二維雜化體系中激子的發光和輸運提供了新的思路。

張青🧑🏼‍🔧、劉新風🟢、吳波為本文通訊作者。香港理工大學應用物理系殷駿教授提供了理論計算，南開大學物理科學學院超快電子顯微鏡實驗室鄧時濱副教授提供了理論指導。意昂3体育官网材料科學與工程學院2019級博士生梁印在該工作中作出了重要貢獻👨🏽‍🔧。該項工作得到了國家自然科學基金委🧑‍🚀、科技部和北京市傑出青年基金等項目大力支持。