摘要：研究人员已经开发并展示了一种技术，使他们能够设计出一类称为分层混合钙钛矿（LHP）的材料，直至原子水平，这确切地决定了材料如何将电荷转化为光线。该技术为用于下一代印刷的LED和激光量使用的工程材料打开了大门，并具有工程其他材料的希望，可用于光伏设备。...

研究人员已经开发并展示了一种技术，使他们能够设计出一类称为分层混合钙钛矿（LHP）的材料，直至原子水平，这确切地决定了材料如何将电荷转化为光线。该技术为用于下一代印刷的LED和激光量使用的工程材料打开了大门，并具有工程其他材料的希望，可用于光伏设备。

由其结晶结构定义的钙钛矿具有理想的光学，电子和量子性能。 LHP由令人难以置信的薄薄的钙钛矿半导体材料组成，这些材料通过薄薄的有机“垫片”层彼此分离。 LHP可以放置为薄膜，由多片钙钛矿和有机垫片层组成。这些材料是理想的，因为它们可以有效地将电荷转换为光线，从而有望在下一代LED，激光和光子集成电路中使用。

但是，尽管LHP多年来一直引起了研究界的兴趣，但对如何设计这些材料以控制其性能特征几乎没有了解。

要了解研究人员发现的内容，您必须从量子井开始，量子井是夹在间隔层之间的半导体材料的片面。

“我们知道量子井正在LHP中形成 - 它们是层次。”有关该作品的论文的通讯作者Aram Amassian说，北卡罗来纳州立大学的材料科学与工程学教授。

理解量子井的尺寸分布很重要，因为能量从高能结构流向分子水平的低能结构。

该论文的合着者，NC State的物理学教授Kenan Gundogdu说：“两个原子厚的量子井比五个原子厚的量子孔具有更高的能量。” “为了使能量有效地流动，您希望在量子井之间具有三个和四个原子的量子井，这些量为两个和五个原子。基本上，您基本上希望具有逐渐的坡度，能量可以使能量降低。”

Amassian说：“但是研究LHP的人不断陷入异常：可以通过X射线衍射检测到的LHP样品中量子井的尺寸分布与可以使用光谱法检测的量子孔的尺寸分布不同，” Amassian说。

Amassian说：“例如，衍射可能会告诉你，量子井是两个原子厚，还有三维的散装晶体。” “但是光谱可能会告诉您，您的量子井是两个原子，三个原子和四个原子厚，以及3D散装相。

“那么，我们遇到的第一个问题是：为什么我们看到X射线衍射和光谱法之间的这种基本断开连接？而我们的第二个问题是：我们如何控制LHPS中量子井的大小和分布？”

通过一系列实验，研究人员发现，有一个关键人物参与回答这两个问题：纳米片。

Amassian说：“纳米片是在我们用来创建LHP的溶液表面上形成的钙钛矿材料的单个片。” “我们发现，这些纳米板块本质上是形成下面形成的分层材料的模板。因此，如果纳米骨骼质量为两个原子，则其下方的LHP形成为一系列两种厚的量子孔。

“但是，纳米片本身并不稳定，例如其余的LHP材料。相反，纳米片的厚度不断增长，随着时间的推移会增加新的原子层。因此，当纳米片是三个原子厚时，形成了三个原子量子孔，最终形成了nanoplet的三个量子级别。

这一发现还解决了为什么X射线衍射和光谱法提供不同结果的长期异常。衍射检测出板的堆叠，因此无法检测到纳米板片，而光谱谱检测到孤立的床单。

Amassian说：“令人兴奋的是，我们发现我们可以以受控的方式停止纳米片的生长，从本质上调整LHP膜中量子井的大小和分布。” “并且通过控制量子井的大小和排列，我们可以实现出色的能量级联 - 这意味着材料在漏斗费用和能量方面非常有效且快速，用于激光和LED应用。”

当研究人员发现纳米片在LHP中的钙钛矿层的形成中发挥了至关重要的作用时，他们决定查看是否可以使用纳米型含量来设计其他钙钛矿材料的结构和特性，例如用于将光转化为Solar Cells和其他光子电池中的电力和其他光伏电源技术的钙钛矿的结构和特性。

“纳米板片在其他钙矿材料中起着相似的作用，可以用来设计这些材料，以增强所需的结构，改善其光伏性能和稳定性，”该论文和ALCOA的NC Conteering Paper和ALCOA Coperion和ALCOA的教授Milad Abolhasani说。

这项工作是在1936527 Grant的国家科学基金会的支持下完成的；并从授予N00014-20-1-2573的海军研究办公室。