【人物与科研】南京大学田玉玺课题组Adv. Mater.：基于亚带隙光子调控作用的钙钛矿全光学开关

随着信息处理和传输的速度不断突破，传统芯片中硅基晶体管的数量和信息处理速度已经接近量子效应的极限。为了应对摩尔定律的终结，研究人员提出发展全光学逻辑器件，如全光学开关、场效应管、忆阻器元件，其核心思想是利用光子控制材料的光学性质。

近年来，钙钛矿材料因其优异的光电性能受到广泛关注，在光激发下钙钛矿材料中存在着发光增强、淬灭、闪烁等动力学过程，虽然光照对其光电性能有着显著的影响，但是这些过程表现复杂且随机性强，无法实现有效的控制。

近日，南京大学化学化工学院田玉玺课题组通过材料制备控制，利用亚带隙能量的光子对金属卤化物钙钛矿材料中缺陷态的光激活作用，成功实现了对钙钛矿晶体发光的全光学调控，展现了钙钛矿材料在全光学逻辑器件方面的潜在应用。相关成果近日发表于Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202209851）。

图1. 基于MAPbBr₃晶体的全光学开关效应的基本性质（来源：Adv. Mater.）

半导体材料的吸收取决于其禁带的宽度，因此，理论上低于带隙能量的光子并不会影响材料的光电性能。通过对合成前驱体比例的调控，该课题组在MAPbBr₃晶体中引入了对亚带隙光子具有响应的缺陷物种，该物种在550-800 nm较宽的光谱范围内可以产生稳定高效的响应，在淬灭态和钝化态之间相互转换，从而实现了对材料发光量子产率的全光学开关，开关比可以达到260，这一效应在多种钙钛矿材料中普遍存在。

图2. 全光学开关效应的缺陷态转换机制：在亚带隙控制光激发下缺陷态跃迁到激发态随后越过能垒转变为淬灭态（来源：Adv. Mater.）

作者表征了不同波长的控制光照射下环境温度对发光开关动力学行为的影响，确定了缺陷在钝化态和淬灭态之间转换的能垒，其能量大小接近材料中卤素离子发生迁移的活化能，表明这一过程是缺陷态吸收亚带隙光子发生跃迁后引起局部晶格弛豫导致的缺陷态在深浅能级之间的转换，从而提出了一种全新的基于钙钛矿晶体的全光学开关机制，证明低于带隙能量的光子能够和钙钛矿材料中的缺陷产生高效的相互作用并控制材料中光生载流子的复合行为，确定了调控这种效应强弱的关键合成条件，并且利用光谱学手段对这一效应背后的光物理机制进行了深入探究。南京大学博士生万苏舒为论文第一作者，田玉玺教授和瑞典隆德大学Ivan G. Scheblykin教授为论文的通讯作者。