生长用于激光器的三层混合晶体
杜克大学和普渡大学的研究人员证明，通过使用新技术控制晶体内多个无机和有机层的排列，他们可以控制钙钛矿材料中电子和空穴(正电荷载流子)的能级。这种调谐会影响材料的光电特性及其发射特定能量的光的能力，这可以通过它们作为激光源的能力来证明。
该研究发表在 8 月 31 日《自然化学》杂志网络版上，是多个实验和理论团队密切合作的结果。实验团队合成材料并表征其特性，而理论团队则进行计算模拟以预测材料的电子结构和特性。
计算工作的一个重要基础是对材料特性计算模拟代码创建的长期投资。“我们已经投入了近 20 年的时间，才能够在更大的系统中进行此类计算，”杜克大学机械工程和材料科学副教授 Volker Blum 说。“这项研究涉及使用先进的方法模拟包括多达约 900 个原子的结构，这需要强大的超级计算机来处理地球上一些最大的计算。”
钙钛矿材料是一类化合物，由于其独特的性能，特别是在半导体领域，在材料科学领域引起了极大的关注。这些材料由其特定的晶体结构决定，可用于发光二极管 (LED)、太阳能电池和激光器等应用。
本文重点研究有机半导体掺入层状钙钛矿材料的结构控制。虽然这些类型的钙钛矿以前是用单层有机和无机成分制成的(包括杜克大学教授 David B. Mitzi 的开创性研究)，但能够精确控制无机成分的厚度，从而对于这些更复杂的“有机半导体结合钙钛矿”来说，调整材料的性能仍然难以实现。
根据他们的发现，添加到无机层中的有机成分会影响半导体性能，例如能级和发光。通过仔细控制这些结构中原子的排列和层数，研究人员可以调整所得材料的光学和电子特性。
他们的研究还解决了合成这些材料的挑战，包括需要混合可能不易溶解在同一溶剂中的不同成分，例如尝试将油和盐混合到水中。在较大的结构中实现精确的分层和对齐变得更加复杂。
“这就像将盐和橄榄油混合到水中，”布鲁姆解释道。“一个会溶解，另一个则不会。如果你尝试使用汽油代替水，你最终会遇到同样的问题。我们的合作者能够找到一种方法，将两者溶解并干燥成有序晶体，并且我们能够对这些晶体进行建模，以帮助解释它们的功能。”
Blum 领导了对这些材料进行计算模拟和表征的工作，而普渡大学化学工程系查尔斯戴维森副教授 Letian Dou 则领导了合成和表征这些层状钙钛矿结构的整体工作。
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