高压下的光电物性调控与原位表征
2025, 74 (20): 200701.
doi: 10.7498/aps.74.20251034
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二维材料因其优异的光电性能在基础科学探索与光电子学、能源存储和转换器件等未来技术应用中展现出巨大的潜力, 成为凝聚态物理和材料科学领域的前沿热点. 二维材料独特的层状结构使其物理性能极易受外场的影响. 高压技术作为一种高效、连续且清洁的调控手段, 可以通过压缩原子间距、增强层间耦合, 甚至诱导结构相变, 进而实现对二维材料结构的精准调控以及光电性能的优化提升. 本文以石墨烯、过渡金属二硫族化合物、二维金属卤化物钙钛矿等为例, 结合金刚石对顶砧高压装置以及原位高压表征技术, 重点探讨了它们在高压下的结构演化规律与光电性能调控机制, 并指出了这一新兴研究领域所面临的挑战和机遇, 以期为新型高性能功能材料的开发和实际应用有所启发.
2025, 74 (20): 206201.
doi: 10.7498/aps.74.20250912
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光电子技术领域的快速发展对半导体材料在光电特性上提出了更高要求, 推动了对更加高效、可控的调控手段的深入探索. 高压技术作为一种“干净”的外场调控手段, 能够有效地调控材料晶体结构与电子态, 激发新奇物理现象, 实现性能的优化. 近年来, 高压技术在光电功能材料领域迅速崭露头角, 为光电特性的优化提供了全新视角, 展现出不俗的研究价值和应用潜力. 本文概述了近年来二维过渡金属硫化物、金属与非金属卤化物等材料体系在高压条件下光电响应特性演化的研究进展. 总结了高压对材料晶体结构、电子能带、光谱响应拓展、自驱动响应、极性反转等效应的影响规律, 分析了结构与性能的内在关联, 并探讨了高压调控所揭示的新机制和新效应. 最后, 针对当前压力调控光电特性领域存在的科学问题与技术瓶颈, 提出了未来可能的研究方向与前景, 以期为开发新型高性能光电器件提供理论基础和实验依据.
2025, 74 (17): 176802.
doi: 10.7498/aps.74.20250498
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二维半导体过渡金属硫族化合物凭借其层数依赖的带隙、强激子效应及独特的本征谷自旋极化等特性, 成为光电子学的研究热点. 转角堆垛形成的异质结中的层间激子与莫尔条纹成为了实现相关态涌现的有效平台, 并为探索量子多体物理与关联现象的研究提供了理想平台. 针对半导体过渡金属硫族化合物及其异质结的光电性质的高压调控, 本文首先介绍了高压技术, 之后分别讨论了单体与异质结的光电性质的高压演化, 并重点探讨了: 1)在原子尺度上诱导的结构相变与在电子维度上的能带演化; 2)层间相互作用的演化与对物性的调控机制; 3)对激子束缚态的调控与机制; 4)莫尔超晶格势场的演化. 特别揭示了高压在强化层间轨道杂化、诱发奇异量子相等方面的独特优势. 最后, 展望了该领域的未来研究方向, 为量子信息器件设计、强关联电子系统模拟及新奇激子物态研究提供新思路.
2025, 74 (17): 170701.
doi: 10.7498/aps.74.20250635
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压致变色有机发光材料是智能发光材料的重要分支, 凭借多色切换特性在显示、传感和生物医学等领域备受关注. 然而, 利用合理分子设计有效促进材料的压致光谱位移仍是该领域的重要挑战. 本研究首先基于二苯胺(DPA)给体与9-芴酮(FO)受体设计并制备了给体-受体型DPA-FO分子. 其荧光发射波长随压力变化的压力系数为10.7 nm/GPa, 展现出明显的压致变色效应. 为了优化该力敏发光特性, 我们基于区域选择性结构设计, 在给体中引入分子构象“锁”并增强给体推电子效应, 以9, 9-二甲基吖啶(DMAcr)作为给体基元, 设计合成了具有更强分子内电荷转移特性的DMAcr-FO分子. 该分子荧光发射波长的压力系数显著提升至17.5 nm/GPa. 进一步结构表征表明, 该现象源于DMAcr-FO更为显著的压致结构收缩. 本研究不仅有助于深入理解力敏智能有机发光材料的结构-性质关系, 也为新型压致变色发光材料的设计提供了新思路.
2025, 74 (17): 177102.
doi: 10.7498/aps.74.20250287
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基于密度泛函理论的第一性原理, 系统研究了压力对Al4In2N6晶体结构、弹性性能及电子性质的影响. Al4In2N6晶格常数随压力增加逐渐减小, 同时表现出各向异性的压缩特性, 沿c轴方向具有较高的压缩率. 在力学性能方面, Al4In2N6的体积模量随压力增加而增大, 表明材料抗压缩性显著增强. 值得一提的是, Al4In2N6的维氏硬度随压力升高逐渐降低, 表明高压可能引发Al4In2N6塑性变形. 弹性常数与声子谱计算结果表明, Al4In2N6在0—30 GPa压力范围内具有良好的力学稳定性和动力学稳定性. 能带结构计算结果表明随着压力的增加, Al4In2N6的带隙几乎呈线性增长, 从0 GPa 时的3.35 eV增加到30 GPa 的4.24 eV, 表明压力对Al4In2N6的电子结构具有显著的调控能力. 本研究对Al-In-N化合物的晶体结构、稳定性及高压下的能带结构和力学性质的深入研究, 不仅拓宽了Ⅲ族氮化物材料的应用潜力, 还为开发新型功能材料提供了重要的理论参考.
2025, 74 (17): 178503.
doi: 10.7498/aps.74.20250693
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光电探测器在光通信、环境监测、医疗成像等多个领域发挥着关键作用, 开发高性能的光电探测器相关材料已经成为研究热点. A2BX6型空位有序双钙钛矿因其优异的光电特性备受关注, 然而实现其光电性能的连续调控与提升依然十分困难. 本文利用压力实现了Cs2TeCl6在高压下原位光电响应的有效调控. 实验研究表明, Cs2TeCl6的光电响应在高压下呈现非单调变化: 初始阶段光电流随压力增加而减弱, 但在21.7 GPa后出现显著逆转. 通过高压原位拉曼光谱和紫外-可见吸收光谱分析, 发现这一转变与材料进入强化压缩阶段密切相关. 在此阶段, 带隙减小速率加快, 显著改善了间接带隙材料的本征弱吸收特性, 使得原先无法激发的低能光子得以有效利用. 该工作不仅阐明了压力诱导的Cs2TeCl6微观结构与光电性能的内在关联, 还为通过应力工程调控此类钙钛矿材料光电特性提供了新的研究思路.
2025, 74 (17): 177801.
doi: 10.7498/aps.74.20250893
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HfS2作为一种典型的IVB族过渡金属硫化物(transition metal dichalcogenides, TMDs)材料, 凭借其高载流子迁移率和层间电流密度特性, 在光传感、通信、成像等多个前沿领域展现出巨大的潜在应用价值. 近年来的研究揭示了压力对TMDs光谱响应范围和电输运性质的重要调控作用, 这激发了我们对HfS2光电性质进行压力调控的研究兴趣. 本研究采用金刚石对顶砧装置进行高压原位光电流、拉曼散射光谱、交流阻抗谱和紫外-可见吸收光谱测量, 并结合第一性原理计算, 系统探究了压力对 HfS2 电输运和光电性质的影响. 研究结果显示, HfS2 的光电流随着压力的增加持续增强. 30.1 GPa时, HfS2的光电流比初始值提高了5个数量级, 这一显著增强归因于S-S层间作用力增强导致的带隙和电阻减小. 此外, 光学测量实验及理论计算结果进一步表明, HfS2的晶体结构、禁带宽度及光学性质均可通过压力进行有效调控. 本研究为压力调控层状材料的光电性能提供了新思路.
2025, 74 (17): 178401.
doi: 10.7498/aps.74.20250613
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环境友好的无机无铅双钙钛矿材料因具有优异的光电特性, 被认为是铅基钙钛矿材料的良好替代品之一. 本文采用水热法制备了一种非铅双钙钛矿材料Cs2AgInCl6, 利用金刚石对顶砧装置进行高压实验, 研究了室温下压力诱导Cs2AgInCl6的结构变化以及压力对其光电流、光学带隙的调控, 实验最高压力为41.1 GPa. 原位高压拉曼及同步辐射X射线衍射实验结果显示, 8.9 GPa时Cs2AgInCl6 发生了从立方相($Fm\bar3m $)到四方相(I4/m)的相变. 原位高压吸收光谱显示带隙在相变前后随压力呈现反向变化趋势. 当压力增大到实验最高点时, 光电流值为常压值的2倍, 且卸压后依然保持. 本研究揭示了压力调控下的无铅双钙钛矿材料结构-性能关联机制, 为通过晶体工程与应变调控优化光电性能提供了可行策略. 压缩后功能的有效保留凸显了此类材料在非易失性压力可调谐光电探测器中的应用潜力.
