受到光照，半導體會產生載流子——電子和空穴，兩者因帶有相反的電荷在靜電吸引力作用下被“捆綁”在一起，形成激子。與自由的電子和空穴相比，激子具有更高的發(fā)光效率因而在發(fā)光和顯示器件領域具有潛在應用價值;但在太陽能電池等光伏應用中，大量存在的激子不利于正負電荷的分離提取，使太陽能電池效率大幅降低。因此，研究半導體中激子與自由載流子之間相互轉化的動態(tài)過程，對材料和器件的合理應用具有重要指導意義。

作為一類天然的量子阱材料、優(yōu)質的半導體介質，二維鈣鈦礦穩(wěn)態(tài)激子結合能相比傳統(tǒng)的三維鈣鈦礦大幅提高，達到數(shù)百毫電子伏特，使激子難以在室溫下解離。此前傳統(tǒng)觀點認為，二維鈣鈦礦中光生載流子主要以激子的形式存在，在室溫下難以解離形成自由載流子，從而推測二維鈣鈦礦不適用于太陽能電池等光伏器件。然而，近期一些研究卻發(fā)現(xiàn)與之相悖的結果。研究團隊推測，此前研究可能因為忽略了光生電荷與晶格之間的相互作用，從而使人們高估了二維鈣鈦礦的激子結合能。

該研究中，團隊通過飛秒超快光譜學技術等，在室溫下直接觀測到二維鈣鈦礦中快速的動態(tài)激子解離過程，證明二維鈣鈦礦中載流子在平衡狀態(tài)下主要以自由載流子的形式存在。這與此前報道的通過穩(wěn)態(tài)吸收光譜等技術得出的較高激子結合能存在較大差異。為了解釋這一反常的物理現(xiàn)象，該團隊進一步通過低溫光譜學等，提出由激子—極化子形成而誘導的激子解離機理，即激子通過與聲子之間強的耦合作用形成激子—極化子，由于極化子的屏蔽作用大幅削弱電子—空穴間的庫倫作用力，使激發(fā)態(tài)激子結合能顯著降低，從而促進激子的快速解離。此外，團隊還證明了激子解離以及后續(xù)的自由載流子非輻射復合過程是限制二維鈣鈦礦熒光量子效率的主要因素。該發(fā)現(xiàn)揭示了二維鈣鈦礦材料中可能普遍存在的極化激子解離特性，為二維鈣鈦礦材料在光伏和光電探測等器件中的應用提供了理論指導。

在二維鈣鈦礦載流子動力學研究中，該團隊曾直接觀測到二維鈣鈦礦薄膜中的載流子定向分離與輸運(J. Am. Chem. Soc.，2017);在二維鈣鈦礦單晶中揭示了層內缺陷輔助的長距離載流子輸運新機制(J. Am. Chem. Soc.，2020);發(fā)現(xiàn)了俄歇輔助的層間電子轉移新機理(J. Am. Chem. Soc.，2021)。

相關研究成果以Ultrafast and High-Yield Polaronic Exciton Dissociation in Two-Dimensional Perovskites為題，發(fā)表在《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)上。上述工作得到國家重點研發(fā)計劃“納米科技”重點專項、國家自然科學基金、中科院青年創(chuàng)新促進會等項目的支持。