AOM 北京师范大学张文凯团队：晶格手性通过增强激子-声子耦合延长二维钙钛矿中激子的退极化时间。
研究背景：
光电与自旋电子器件的快速发展对半导体材料的自旋调控性能提出了更高要求，有机-无机杂化钙钛矿因具备优异的光电特性与强自旋轨道耦合效应，成为自旋电子器件的极具潜力候选材料。自旋弛豫时间作为衡量自旋电子器件性能的核心参数，直接决定了自旋极化载流子的传输效率与信息存储时长，通过配体修饰延长钙钛矿的自旋弛豫时间，是实现高效自旋电子器件的关键途径。向钙钛矿晶格中引入手性配体赋予其手性特征，已被证实能使手性钙钛矿相较其外消旋对映体实现更长的激子自旋弛豫时间，为自旋调控提供了新的研究方向。但目前关于手性钙钛矿自旋弛豫时间延长的内在物理机制仍缺乏清晰且系统的阐释，手性晶格如何调控激子-声子相互作用、极化子形成与自旋弛豫过程的关联等关键科学问题尚未明确。因此，深入探究手性钙钛矿中自旋弛豫的调控机制，揭示手性诱导自旋弛豫时间延长的物理本质，对推动手性钙钛矿在自旋电子器件中的实际应用具有重要的科学研究意义和工程应用价值。
文章概述：
近日，北京师范大学的张文凯教授团队以R/S-α-甲基苄胺（R/S-MBA）为手性配体制备了手性钙钛矿(R/S-MBA)2PbI4，并以外消旋体钙钛矿(Rac-MBA)2PbI4为对照，结合圆偏振瞬态吸收（circularly polarized transient absorption, CTA）光谱、泵浦光强依赖和温度依赖实验，深入探究了手性钙钛矿激子自旋弛豫时间延长的物理机制。研究发现，手性钙钛矿相较外消旋体展现出更高的初始自旋极化率：（手性钙钛矿(R/S-MBA)2PbI4为11.3%/11.6%，外消旋体(Rac-MBA)2PbI4仅6.9%）和显著延长的自旋弛豫寿命（手性钙钛矿可达427/497 ps，外消旋体仅22 ps）。通过结合温度依赖实验、对相干光学声子振荡的分析，证实手性钙钛矿具有更强的激子-声子耦合作用，其黄昆-里斯因子高于外消旋体，这种强耦合效应能诱导更强的动态极化子屏蔽效应，弱化激子中电子-空穴的库仑相互作用，从而实现自旋弛豫时间的延长。该研究揭示了晶格手性调控自旋弛豫的核心机制，为通过调控钙钛矿手性实现自旋弛豫寿命的控制提供了重要实验依据和理论指导。
图文导读：
图1.手性和外消旋钙钛矿的结构和稳态表征。 a, b, c. (R-MBA)2PbI4, (S-MBA)2PbI4和(Rac-MBA)2PbI4的晶体结构和赤道Pb-I-Pb键角。 d. 三种钙钛矿的紫外-可见吸收光谱。 e. 三种钙钛矿的光致发光光谱。 f. 三种钙钛矿的圆二色谱
图2.手性和外消旋钙钛矿的CTA实验，在450 nm激发下测试，泵浦通量为2.02 µJ·cm−2。 a. 圆偏振激发引起的激子自旋极化示意图。 b. CTA测试装置示意图。探测光束的偏振固定为右旋圆偏振，而泵浦光偏振设置为右旋（SC）或左旋（CC）圆偏振。 c. (R-MBA)2PbI4在0.18ps和1000ps延迟时间的CTA光谱。 d, e, f. (R-MBA)2PbI4, (S-MBA)2PbI4和(Rac-MBA)2PbI4的CTA动力学和自旋弛豫动力学
图3.a, b, c. (R-MBA)2PbI4, (S-MBA)2PbI4和(Rac-MBA)2PbI4的泵浦光通量依赖自旋弛豫动力学。图中显示了数据点和指数拟合曲线。 d. 自旋弛豫时间τ2随泵泵浦光通量的变化
图4.a. 不同温度下(R-MBA)2PbI4的自旋弛豫动力学。 b. (R-MBA)2PbI4的自旋弛豫时间τ2随温度的变化。 c. 手性和外消旋钙钛矿的相干光学声子振荡和阻尼谐振子模型拟合。圆圈表示振荡数据点，实线是拟合曲线，图中展示了拟合分析得到的振荡频率ω和黄昆-里斯因子S。 d. 自由激子和激子-极化子之间正负电荷空间分离程度的示意图
结论：
在这项工作中，研究团队使用CTA光谱对手性钙钛矿 (R/S-MBA)2PbI4的激子自旋弛豫动力学进行了深入研究。发现与外消旋钙钛矿 (Rac-MBA)2PbI4相比，手性钙钛矿具有更高的自旋注入能力，并表现出更高的初始自旋极化。更重要的是，手性钙钛矿可以实现比外消旋钙钛矿更长的自旋弛豫寿命。通过温度相关实验和相干光学声子振荡分析，定量计算了激子-声子耦合强度。该研究表明，手性钙钛矿中更扭曲的晶格结构有利于激子-极化子的产生和稳定，从而促进更强、更持久的动态极化子屏蔽。增强的动态极化子屏蔽效应导致手性钙钛矿的自旋弛豫寿命延长。通过泵浦通量依赖实验，发现随着泵浦通量的降低，动态极化子屏蔽效应变得更加显著。这些发现可以为通过操纵钙钛矿的手性来控制自旋弛豫寿命提供参考。
论文信息：
Lattice Chirality Prolongs Exciton Spin Depolarization in 2D Perovskites by Enhanced Exciton-Phonon Coupling
Yubo Yang, Wenli Su*, Xiaofan Jiang, Pengyu Zhang, Wenkai Zhang*
Advanced Optical Materials
DOI:10.1002/adom.202503363
原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202503363
期刊简介：
Advanced Optical Materials是一个国际性的、跨学科的期刊，针对材料科学的同行评审论文，重点关注光-物质相互作用的各个方面。致力于光子学、等离子体、超材料等领域的突破性发现和基础研究。
来源：Advanced Optical Materials
