范德华异质结作为微纳光电器件的基本单元，具有任意搭配、界面平整度高和强层间耦合等独特优势。特别地，范德华异质结中的层间激子耦合现象对载流子输运及衍生的新奇物理特性具有重要影响。然而，目前关于层间激子的研究大多集中于二维过渡金属二硫化物（TMDs）及其衍生同质结/异质结体系中，有关钙钛矿单晶异质结体系的激子动力学研究仍处于初期阶段。
近日，复旦大学方晓生教授/李自清副研究员团队充分利用钙钛矿材料从零维（0D）到三维（3D）的结构多样性，设计了一种全钙钛矿体系的（2D-3D）高质量单晶范德华异质结，并系统研究了层间激子对材料光学和器件光电性能的影响。相关论文以“Light‐State Rectification Behaviors Induced by Interlayer Excitons in Mixed‐Dimensional Single‐Crystalline Perovskite Heterostructures”为题，发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上，文章第一作者为复旦大学材料科学系博士生洪恩柳，共同通讯作者为复旦大学光电研究院李自清青年副研究员。首先，作者通过溶液法合成制备出组分为(BA)2PbBr4（BPB）和CsPbBr3（CPB）的高质量微纳米单晶，分别具有2D和3D的结构维度。由于不受晶格匹配度的限制，范德华异质结构因而只须满足尺寸适配条件。得益于制得钙钛矿单晶的平坦洁净表面，成功构筑出高质量的混合维度范德华异质结。结构上，二维BPB薄层堆叠在三维CPB体层上构成垂直式异质结构。元素分布上，异质结重叠区域Cs含量减少而Br含量增多，呈现出明显颜色衬度差异，侧面印证出高质量异质界面的形成。图1. 混合维度高质量钙钛矿单晶异质结的构筑。（标尺：30μm）随后，作者研究了异质结体系中层间激子的形成以及光学性质的变化。结构上，相较于三维体系，二维Ruddlesden-Popper（RP）型钙钛矿单晶具有层状结构特性和天然量子阱结构，无机八面体层充当量子阱而有机层起到势垒作用。由于介电屏蔽作用的减弱和量子限域效应的增强，RP型钙钛矿中库伦相互作用和激子效应更加显著，激子结合能通常能达到数百meVs，是研究激子物理的绝佳材料平台。从光致发光光谱和吸收光谱看出，二维BPB具有双峰和双重吸收边特性，原因是层内激子的存在。相较之下，三维CPB材料中激子结合能低，室温下的热能足以使激子转化为自由载流子，因而光谱中呈现良好的单峰对称性和单一吸收边。在构筑异质结后，由于上下层之间的激子耦合作用，电子波函数重叠程度加深形成层间激子，对应于异质结光致发光谱中546 nm处新峰的出现。以上发现展示并验证出混合维度钙钛矿异质结界面处的高效能量传递行为，有助于理解和调控范德华异质结中独特的载流子输运过程。进一步地，作者研究了异质结层间激子对光电器件性能的影响。基于此混合维度异质结的光电探测器在受紫外光照后呈现出从全关态到整流态的新型光态整流行为，展现出高达7×103的开关比和2.4×104的超高整流比。原因在于，层间激子的长寿命特性使得器件可以不断收集和转换光子能量，从而提高光吸收效率。此外，层间激子态的存在为界面处的载流子跃迁提供了能量更低的选择路径。正偏压下，原本无法跨过势垒的电子可通过形成层间激子再解离的方式穿过异质界面；负偏压下，光生载流子复合现象加剧导致光电流削弱，从而引起正负偏压下电流差异明显的光态整流行为。图3. 基于混合维度高质量钙钛矿范德华异质结的整流光电探测器。小结：作者设计了一种混合维度（2D-3D）钙钛矿单晶范德华异质结并基于其构筑了高性能光电探测器，深入揭示了层内/层间激子对材料光学和光电性能的调制作用。得益于层间激子态的诱导作用，该器件展现出独特的信号处理行为和显著增强的光电性能，有望在光逻辑、信息处理、高精度成像等光电应用系统中发挥关键作用。以上在2D-3D钙钛矿范德华异质结体系中的发现可为激子学和光电子学研究提供极富竞争力的材料平台选择。原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202412189洪恩柳，复旦大学材料科学系博士生。研究方向为钙钛矿材料的高质量制备与光电器件研究。第一作者在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.、Adv. Opt. Mater.期刊上发表SCI论文4篇，参与发表论文多篇。李自清，复旦大学光电研究院青年副研究员。长期从事光电探测材料与器件研究，主持国家自然科学基金1项，第一/通讯作者在Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater. (3篇)、Adv. Funct. Mater. (4篇)、Nano Lett.等期刊上发表SCI论文25篇，ESI热点/高被引论文9篇。受邀Nano Express编委，兼任Rare Metals 等5本期刊青年编委。声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
