CsPbI3納米晶體中亮激子的俄歇復(fù)合與精細結(jié)構(gòu)研究：微觀機制與應(yīng)用展望一、緒論1.1研究背景與意義在當(dāng)今的光電領(lǐng)域，鹵族鈣鈦礦材料憑借其獨特的物理性質(zhì)和卓越的性能，已然成為研究的焦點，展現(xiàn)出了極為廣闊的應(yīng)用前景。這類材料具有高吸收系數(shù)，能夠高效地吸收光子，為光電器件的光捕獲提供了堅實基礎(chǔ)；長且平衡的載流子擴散長度，使得載流子能夠在材料中較為自由地傳輸，減少了復(fù)合的幾率；高缺陷容限則賦予了材料一定的容錯能力，即使存在一定程度的缺陷，依然能保持較好的性能；高光致發(fā)光量子產(chǎn)率保證了材料在發(fā)光過程中的高效性；同時，其帶隙易于調(diào)節(jié)的特性，更是為滿足不同光電器件的需求提供了便利。在眾多鹵族鈣鈦礦材料中，CsPbI3納米晶體以其優(yōu)異的性能脫穎而出，在太陽能電池、發(fā)光二極管、光電探測器和激光器等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在太陽能電池中，它能夠有效地吸收太陽光并將其轉(zhuǎn)化為電能，為提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提供了新的可能；在發(fā)光二極管方面，其可實現(xiàn)高效的發(fā)光，有望推動照明技術(shù)的進一步發(fā)展；在光電探測器中，對光信號具有敏銳的響應(yīng)，能夠準確地探測光的強度和頻率等信息；而在激光器中，也表現(xiàn)出了良好的激光發(fā)射特性，為新型激光器的研發(fā)提供了新的材料選擇。在CsPbI3納米晶體中，亮激子作為重要的光學(xué)激發(fā)態(tài)，對其光學(xué)性質(zhì)起著關(guān)鍵作用。亮激子的俄歇復(fù)合過程，是指在半導(dǎo)體中，一個激發(fā)態(tài)的電子-空穴對（激子）與另一個電子或空穴相互作用，將其能量轉(zhuǎn)移給第三個載流子，而自身則回到基態(tài)的非輻射復(fù)合過程。這種復(fù)合過程會極大地影響材料中載流子的壽命和濃度，進而對光電器件的性能產(chǎn)生深遠影響。例如，在太陽能電池中，過高的俄歇復(fù)合會導(dǎo)致載流子的損失增加，降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率；在發(fā)光二極管中，會影響發(fā)光效率和亮度的穩(wěn)定性。因此，深入理解亮激子的俄歇復(fù)合機制，對于優(yōu)化光電器件的性能、提高其效率和穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的意義。而亮激子的精細結(jié)構(gòu)，是由于形貌或晶格對稱破缺導(dǎo)致的電子-空穴各向異性交換作用，使激子能級發(fā)生的精細結(jié)構(gòu)裂分（FSS）。FSS亮激子態(tài)在量子態(tài)相干操控或偏振糾纏光子對發(fā)射等量子信息科學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。通過對亮激子精細結(jié)構(gòu)的研究，我們可以更好地實現(xiàn)對量子態(tài)的精確控制，為量子計算、量子通信等領(lǐng)域的發(fā)展提供理論支持和技術(shù)基礎(chǔ)。例如，在量子計算中，利用亮激子的精細結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)量子比特的構(gòu)建，提高量子計算的準確性和效率；在量子通信中，偏振糾纏光子對的發(fā)射則是實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)等安全通信的關(guān)鍵。然而，目前對于CsPbI3納米晶體中亮激子的俄歇復(fù)合和精細結(jié)構(gòu)的研究仍存在諸多挑戰(zhàn)和未解決的問題。在俄歇復(fù)合方面，雖然已經(jīng)有一些研究探討了其基本過程，但對于一些復(fù)雜的影響因素，如雜質(zhì)、缺陷以及外部環(huán)境等對俄歇復(fù)合速率和機制的影響，還缺乏深入系統(tǒng)的理解。在精細結(jié)構(gòu)研究中，由于其對納米晶體的尺寸、形貌和晶格結(jié)構(gòu)等因素非常敏感，精確測量和有效調(diào)控精細結(jié)構(gòu)裂分能仍然是一個難題。此外，將亮激子的俄歇復(fù)合和精細結(jié)構(gòu)的研究成果與實際光電器件的應(yīng)用相結(jié)合，也面臨著諸多技術(shù)和理論上的挑戰(zhàn)。因此，開展對CsPbI3納米晶體中亮激子的俄歇復(fù)合和精細結(jié)構(gòu)的研究具有重要的理論和實際意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，CsPbI3納米晶體由于其卓越的光電性能，在太陽能電池、發(fā)光二極管、光電探測器和激光器等光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，吸引了國內(nèi)外眾多科研團隊的廣泛關(guān)注。針對CsPbI3納米晶體中亮激子的俄歇復(fù)合和精細結(jié)構(gòu)的研究，也取得了一系列重要進展。在俄歇復(fù)合研究方面，國內(nèi)外學(xué)者主要聚焦于復(fù)合機制、影響因素以及其對光電器件性能的作用。國外研究團隊如[具體團隊1]利用瞬態(tài)吸收（TA）光譜技術(shù)，深入研究了CsPbI3納米晶體中的俄歇復(fù)合動力學(xué)過程。研究結(jié)果表明，俄歇復(fù)合速率與納米晶體的尺寸、形狀密切相關(guān)，尺寸較小的納米晶體通常具有更高的俄歇復(fù)合速率，這是因為小尺寸納米晶體的表面原子比例較高，表面缺陷增多，從而促進了俄歇復(fù)合過程。此外，[具體團隊2]通過理論計算和實驗相結(jié)合的方法，探究了雜質(zhì)和缺陷對俄歇復(fù)合的影響，發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)和缺陷會改變納米晶體的電子結(jié)構(gòu)，增加俄歇復(fù)合的概率。例如，引入特定的雜質(zhì)原子后，會在納米晶體的禁帶中形成額外的能級，為載流子的復(fù)合提供了新的通道，導(dǎo)致俄歇復(fù)合速率加快。國內(nèi)研究團隊在這一領(lǐng)域也取得了顯著成果。[具體團隊3]采用時間分辨光致發(fā)光光譜技術(shù)，系統(tǒng)地研究了不同條件下CsPbI3納米晶體中亮激子的俄歇復(fù)合特性，發(fā)現(xiàn)溫度對俄歇復(fù)合有顯著影響。隨著溫度的升高，晶格振動加劇，載流子與聲子的相互作用增強，從而加快了俄歇復(fù)合速率。[具體團隊4]通過對CsPbI3納米晶體進行元素摻雜，成功實現(xiàn)了對俄歇復(fù)合速率的有效調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，某些元素的摻雜可以優(yōu)化納米晶體的電子結(jié)構(gòu)，減少載流子的非輻射復(fù)合中心，從而降低俄歇復(fù)合速率，提高載流子的壽命和光電器件的性能。在亮激子精細結(jié)構(gòu)的研究中，國內(nèi)外研究主要圍繞精細結(jié)構(gòu)裂分的機制、測量方法以及調(diào)控手段展開。國外[具體團隊5]利用低溫光致發(fā)光光譜和共振熒光光譜技術(shù)，對單個CsPbI3納米晶體的亮激子精細結(jié)構(gòu)進行了深入研究，揭示了電子-空穴各向異性交換作用在精細結(jié)構(gòu)裂分中的關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，納米晶體的形貌和晶格對稱性的破缺會導(dǎo)致電子-空穴的波函數(shù)在空間分布上出現(xiàn)各向異性，從而產(chǎn)生各向異性交換作用，使得激子能級發(fā)生裂分。[具體團隊6]通過對CsPbI3納米晶體的生長條件進行精確控制，實現(xiàn)了對其尺寸和形貌的精準調(diào)控，進而有效地調(diào)節(jié)了亮激子的精細結(jié)構(gòu)裂分能。實驗結(jié)果表明，通過改變納米晶體的生長溫度、反應(yīng)時間和前驅(qū)體濃度等條件，可以精確控制納米晶體的尺寸和形貌，從而實現(xiàn)對精細結(jié)構(gòu)裂分能的連續(xù)調(diào)節(jié)。國內(nèi)方面，[具體團隊7]采用電場調(diào)控的方法，研究了單個CsPbI3納米晶在低溫下的量子受限Stark效應(yīng)（QCSE），揭示出其中永久偶極矩的存在，并通過外加電場消除了激子的精細能級劈裂。研究發(fā)現(xiàn)，納米晶表面存在的應(yīng)力會造成其從對稱向非對稱結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，由此產(chǎn)生的自發(fā)極化不連續(xù)性最終導(dǎo)致了永久偶極矩和內(nèi)建電場的出現(xiàn)。通過施加電場，可以調(diào)節(jié)內(nèi)建電場的強度和方向，從而實現(xiàn)對激子精細結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控。[具體團隊8]通過引入有機配體對CsPbI3納米晶體進行表面修飾，成功地調(diào)控了亮激子的精細結(jié)構(gòu)。研究表明，有機配體與納米晶體表面的相互作用可以改變表面的電子云分布，進而影響電子-空穴的各向異性交換作用，實現(xiàn)對精細結(jié)構(gòu)裂分能的調(diào)控。盡管國內(nèi)外在CsPbI3納米晶體中亮激子的俄歇復(fù)合和精細結(jié)構(gòu)研究方面取得了一定進展，但仍存在一些不足之處。在俄歇復(fù)合研究中，對于復(fù)雜環(huán)境下（如高濕度、高溫度、強光照等）的俄歇復(fù)合機制以及多因素協(xié)同作用對俄歇復(fù)合的影響，目前的研究還不夠深入。同時，如何在實際光電器件中有效地抑制俄歇復(fù)合，提高器件的效率和穩(wěn)定性，仍然是一個亟待解決的問題。在精細結(jié)構(gòu)研究方面，雖然已經(jīng)提出了一些調(diào)控方法，但調(diào)控的精度和穩(wěn)定性還有待提高。此外，對于精細結(jié)構(gòu)與光電器件性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，目前的理解還不夠深入，需要進一步加強理論和實驗研究。1.3研究內(nèi)容與方法本研究旨在深入探究單個CsPbI3納米晶體中亮激子的俄歇復(fù)合和精細結(jié)構(gòu)，具體研究內(nèi)容與方法如下：1.3.1研究內(nèi)容亮激子俄歇復(fù)合動力學(xué)研究：運用時間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）、瞬態(tài)吸收光譜（TA）等技術(shù)，精確測量單個CsPbI3納米晶體中亮激子的俄歇復(fù)合壽命、速率等關(guān)鍵動力學(xué)參數(shù)。通過改變納米晶體的尺寸、形貌、表面狀態(tài)以及引入雜質(zhì)和缺陷等手段，系統(tǒng)研究這些因素對俄歇復(fù)合動力學(xué)的影響規(guī)律。建立俄歇復(fù)合的理論模型，結(jié)合第一性原理計算，從微觀層面深入理解俄歇復(fù)合的機制，包括載流子的相互作用、能量轉(zhuǎn)移過程等。亮激子精細結(jié)構(gòu)特征研究：利用低溫光致發(fā)光光譜、共振熒光光譜等技術(shù)，測量單個CsPbI3納米晶體中亮激子的精細結(jié)構(gòu)裂分能。通過高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）、X射線衍射（XRD）等結(jié)構(gòu)表征手段，研究納米晶體的尺寸、形貌、晶格結(jié)構(gòu)與精細結(jié)構(gòu)裂分能之間的內(nèi)在聯(lián)系。探索電場、磁場等外部場對亮激子精細結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用，研究其調(diào)控機制。俄歇復(fù)合與精細結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)研究：探究亮激子的俄歇復(fù)合過程對其精細結(jié)構(gòu)的影響，以及精細結(jié)構(gòu)如何反作用于俄歇復(fù)合。研究在不同的激發(fā)條件和環(huán)境下，俄歇復(fù)合與精細結(jié)構(gòu)之間的相互作用規(guī)律。建立俄歇復(fù)合和精細結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一理論模型，揭示它們之間的內(nèi)在物理聯(lián)系，為全面理解CsPbI3納米晶體的光學(xué)性質(zhì)提供理論基礎(chǔ)?；谘芯砍晒墓怆娖骷阅軆?yōu)化探索：將亮激子的俄歇復(fù)合和精細結(jié)構(gòu)的研究成果應(yīng)用于太陽能電池、發(fā)光二極管等光電器件的性能優(yōu)化。通過優(yōu)化納米晶體的制備工藝和器件結(jié)構(gòu)，有效抑制俄歇復(fù)合，調(diào)控精細結(jié)構(gòu)，提高光電器件的光電轉(zhuǎn)換效率、發(fā)光效率和穩(wěn)定性等性能指標。研究新型光電器件的設(shè)計思路和制備方法，充分利用亮激子的特性，開發(fā)具有更高性能的光電器件。1.3.2研究方法實驗方法：樣品制備：采用熱注入法、溶液旋涂法等成熟的制備工藝，精確控制反應(yīng)條件，合成高質(zhì)量的單個CsPbI3納米晶體，并制備成適合光學(xué)測量的樣品。通過調(diào)整前驅(qū)體濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間等參數(shù)，實現(xiàn)對納米晶體尺寸、形貌的精確調(diào)控。同時，采用表面修飾、元素摻雜等方法，引入特定的雜質(zhì)和缺陷，以研究其對亮激子性質(zhì)的影響。光譜測量：運用時間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）技術(shù)，測量亮激子的熒光壽命，從而獲取俄歇復(fù)合壽命等動力學(xué)參數(shù)；利用瞬態(tài)吸收光譜（TA）技術(shù)，研究載流子的激發(fā)態(tài)動力學(xué)過程，深入了解俄歇復(fù)合機制。通過低溫光致發(fā)光光譜，在低溫環(huán)境下精確測量亮激子的精細結(jié)構(gòu)裂分能；采用共振熒光光譜，研究激子的共振激發(fā)和發(fā)射特性，進一步揭示精細結(jié)構(gòu)的本質(zhì)。結(jié)構(gòu)表征：借助高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM），直觀觀察納米晶體的微觀結(jié)構(gòu)、尺寸和形貌；利用X射線衍射（XRD）技術(shù)，分析納米晶體的晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)，研究晶格結(jié)構(gòu)與亮激子性質(zhì)之間的關(guān)系。通過這些結(jié)構(gòu)表征手段，為理解亮激子的俄歇復(fù)合和精細結(jié)構(gòu)提供結(jié)構(gòu)信息。外部場調(diào)控實驗：搭建電場、磁場調(diào)控實驗裝置，研究外加電場、磁場對亮激子精細結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用。通過改變電場強度、磁場強度和方向，觀察亮激子精細結(jié)構(gòu)的變化，揭示外部場對精細結(jié)構(gòu)的調(diào)控機制。理論計算方法：第一性原理計算：基于密度泛函理論（DFT），利用VASP等計算軟件，對CsPbI3納米晶體的電子結(jié)構(gòu)進行計算。通過計算能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電荷密度分布等參數(shù)，深入理解納米晶體的電子特性，為解釋俄歇復(fù)合和精細結(jié)構(gòu)的實驗現(xiàn)象提供理論依據(jù)。多體理論：運用多體微擾理論，考慮電子-電子相互作用、電子-聲子相互作用等多體效應(yīng)，建立俄歇復(fù)合和精細結(jié)構(gòu)的理論模型。通過理論計算，預(yù)測俄歇復(fù)合速率、精細結(jié)構(gòu)裂分能等關(guān)鍵參數(shù)，并與實驗結(jié)果進行對比分析，進一步完善理論模型。有限元模擬：采用有限元方法，對電場、磁場調(diào)控下的亮激子精細結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬。通過模擬電場、磁場在納米晶體中的分布以及對電子波函數(shù)的影響，深入研究外部場對精細結(jié)構(gòu)的調(diào)控機制，為實驗研究提供理論指導(dǎo)。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1鹵族鈣鈦礦材料概述鹵族鈣鈦礦材料是一類具有獨特晶體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異光電性能的材料，其基本結(jié)構(gòu)通式為ABX?。在該結(jié)構(gòu)中，A通常為有機陽離子（如甲胺離子CH?NH??、甲脒離子HC(NH?)??）或無機陽離子（如銫離子Cs?），其主要作用是填充在由B和X離子構(gòu)成的八面體空隙中，維持晶格的穩(wěn)定性和電荷平衡。同時，A離子的尺寸和性質(zhì)對材料的晶格常數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)等也有重要影響。B一般為二價金屬離子，常見的有鉛離子Pb2?、錫離子Sn2?等，它們在晶體結(jié)構(gòu)中占據(jù)八面體的中心位置，與周圍的X離子形成強的化學(xué)鍵，對材料的光電性能起著關(guān)鍵作用。X代表鹵素離子，如氯離子Cl?、溴離子Br?、碘離子I?，這些鹵素離子通過與B離子配位，形成八面體結(jié)構(gòu)，并且鹵素離子的種類和比例會顯著影響材料的帶隙、吸收光譜等光學(xué)性質(zhì)。根據(jù)A、B、X離子的不同組合，鹵族鈣鈦礦材料可分為有機-無機雜化鹵族鈣鈦礦和全無機鹵族鈣鈦礦。有機-無機雜化鹵族鈣鈦礦結(jié)合了有機和無機組分的優(yōu)點，如具有較好的柔韌性和可加工性，以及相對較高的光電轉(zhuǎn)換效率。典型的代表是甲胺鉛碘（MAPbI?），在早期的鈣鈦礦太陽能電池研究中取得了顯著成果，其在光吸收、載流子傳輸?shù)确矫姹憩F(xiàn)出良好的性能。然而，有機-無機雜化鹵族鈣鈦礦也存在一些局限性，如有機陽離子在高溫、高濕度等環(huán)境下容易分解，導(dǎo)致材料的穩(wěn)定性較差，限制了其在實際應(yīng)用中的廣泛推廣。全無機鹵族鈣鈦礦則以無機陽離子替代有機陽離子，具有更高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。其中，CsPbI?是全無機鹵族鈣鈦礦中的典型代表，因其獨特的性能受到了廣泛關(guān)注。CsPbI?具有合適的帶隙，約為1.7eV，這使其能夠有效地吸收太陽光譜中的可見光部分，為光電器件的光捕獲提供了良好的基礎(chǔ)。同時，它還具有卓越的光電性能，如高吸收系數(shù)，能夠高效地吸收光子，產(chǎn)生大量的電子-空穴對；長且平衡的載流子擴散長度，使得載流子在材料中能夠自由傳輸，減少了復(fù)合的幾率，有利于提高光電器件的性能。此外，CsPbI?還具有較好的熱穩(wěn)定性，在高溫環(huán)境下能夠保持結(jié)構(gòu)和性能的相對穩(wěn)定，這對于一些需要在高溫條件下工作的光電器件（如太陽能電池、激光器等）具有重要意義。由于其優(yōu)異的性能，鹵族鈣鈦礦材料在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。在光伏領(lǐng)域，鹵族鈣鈦礦太陽能電池的研究取得了飛速發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)換效率不斷提高，從最初的較低水平迅速提升到目前超過25%的認證效率，接近傳統(tǒng)硅基太陽能電池的效率水平。鹵族鈣鈦礦太陽能電池具有制備工藝簡單、成本低等優(yōu)點，有望成為未來太陽能利用的重要技術(shù)之一。在發(fā)光二極管方面，鹵族鈣鈦礦材料可實現(xiàn)高效的發(fā)光，通過調(diào)節(jié)材料的組成和結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)從藍光到紅光的全色域發(fā)光，且具有高的色純度和發(fā)光效率，有望在照明和顯示領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在光電探測器中，鹵族鈣鈦礦材料對光信號具有敏銳的響應(yīng)，能夠快速準確地探測光的強度、頻率等信息，在紫外、可見和近紅外光探測等方面展現(xiàn)出良好的性能。此外，在激光器領(lǐng)域，鹵族鈣鈦礦材料也表現(xiàn)出了良好的激光發(fā)射特性，能夠?qū)崿F(xiàn)低閾值、高效率的激光發(fā)射，為新型激光器的研發(fā)提供了新的材料選擇。2.2納米晶體的量子受限效應(yīng)當(dāng)納米晶體的尺寸減小到與電子的德布羅意波長、激子波爾半徑等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，量子受限效應(yīng)便會顯著地展現(xiàn)出來。在這種情況下，納米晶體的電子運動在三維空間中都受到了強烈的限制。電子原本在宏觀材料中可以較為自由地運動，具有連續(xù)的能級分布。但在納米晶體中，由于空間的限制，電子的波函數(shù)被局域在一個極小的區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致能級發(fā)生量子化，從連續(xù)的能級變?yōu)殡x散的能級。這就如同將一個自由的粒子限制在一個狹小的盒子里，粒子的能量狀態(tài)不再是任意的，而是只能取某些特定的值，這些特定的值就構(gòu)成了離散的能級。量子受限效應(yīng)深刻地影響著納米晶體的電子結(jié)構(gòu)。隨著納米晶體尺寸的減小，其電子態(tài)密度分布發(fā)生了顯著變化。在大尺寸的材料中，電子態(tài)密度通常是連續(xù)且平滑變化的。然而，在納米晶體中，由于能級的量子化，電子態(tài)密度呈現(xiàn)出離散的峰狀分布。這些離散的峰對應(yīng)著量子化的能級，且能級之間的間距隨著納米晶體尺寸的減小而增大。這種電子態(tài)密度分布的變化對納米晶體的光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響。在光學(xué)性質(zhì)方面，量子受限效應(yīng)使得納米晶體的吸收光譜和發(fā)射光譜發(fā)生藍移。當(dāng)納米晶體受到光照射時，電子會吸收光子的能量從低能級躍遷到高能級，形成吸收光譜。由于能級的量子化，納米晶體中的電子躍遷所需的能量比宏觀材料中的電子躍遷能量更高。根據(jù)光子能量與波長的關(guān)系（E=hc/λ，其中E為光子能量，h為普朗克常量，c為光速，λ為波長），能量增加意味著波長變短，因此吸收光譜會向短波方向移動，即發(fā)生藍移。同樣，在發(fā)射光譜中，當(dāng)電子從高能級躍遷回低能級時，會發(fā)射出光子。由于能級間距的增大，發(fā)射的光子能量也更高，波長更短，導(dǎo)致發(fā)射光譜藍移。此外，量子受限效應(yīng)還會增強納米晶體的發(fā)光效率。在宏觀材料中，電子和空穴容易發(fā)生非輻射復(fù)合，導(dǎo)致發(fā)光效率較低。而在納米晶體中，由于量子限域作用，電子和空穴的波函數(shù)重疊程度增加，輻射復(fù)合的概率增大，從而提高了發(fā)光效率。亮激子作為納米晶體中的重要光學(xué)激發(fā)態(tài)，與量子受限效應(yīng)密切相關(guān)。在量子受限的環(huán)境下，激子的束縛能顯著增強。激子是由一個電子和一個空穴通過庫侖相互作用結(jié)合而成的。在納米晶體中，由于電子和空穴的運動都受到限制，它們之間的庫侖相互作用增強，使得激子的束縛能增大。這意味著激子更加穩(wěn)定，不容易發(fā)生解離。同時，量子受限效應(yīng)還會導(dǎo)致激子的精細結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。由于納米晶體的尺寸和形貌對電子-空穴的各向異性交換作用有重要影響，而這種各向異性交換作用決定了激子的精細結(jié)構(gòu)。在量子受限條件下，納米晶體的尺寸減小和形貌變化會使得電子-空穴的波函數(shù)在空間分布上的各向異性更加明顯，從而導(dǎo)致激子精細結(jié)構(gòu)裂分能的改變。這種激子精細結(jié)構(gòu)的變化對納米晶體的光學(xué)性質(zhì)和光電器件的性能有著重要的影響。例如，在量子通信中，利用激子精細結(jié)構(gòu)的特性可以實現(xiàn)偏振糾纏光子對的發(fā)射，而量子受限效應(yīng)通過影響激子精細結(jié)構(gòu)，間接影響了偏振糾纏光子對的產(chǎn)生效率和質(zhì)量。2.3俄歇復(fù)合理論2.3.1俄歇復(fù)合原理俄歇復(fù)合是半導(dǎo)體中一種重要的非輻射復(fù)合過程，其原理基于電子-空穴之間的能量轉(zhuǎn)移和相互作用。在半導(dǎo)體中，當(dāng)一個電子從導(dǎo)帶躍遷到價帶與空穴復(fù)合時，會釋放出能量。在俄歇復(fù)合過程中，這個釋放的能量并不會以光子的形式發(fā)射出來，而是轉(zhuǎn)移給了第三個載流子（可以是電子或空穴），使其被激發(fā)到更高的能量狀態(tài)。這種能量轉(zhuǎn)移過程涉及到三個載流子的相互作用，因此被稱為俄歇復(fù)合。以CsPbI3納米晶體為例，當(dāng)一個激發(fā)態(tài)的電子-空穴對（激子）形成后，電子處于導(dǎo)帶，空穴處于價帶。如果發(fā)生俄歇復(fù)合，導(dǎo)帶中的電子與價帶中的空穴復(fù)合，將復(fù)合所釋放的能量和動量轉(zhuǎn)移給導(dǎo)帶中的另一個電子（CCHC過程），使其進入更高的導(dǎo)帶電子能態(tài)。在這個過程中，能量守恒和動量守恒是必須滿足的條件。根據(jù)能量守恒定律，電子-空穴復(fù)合釋放的能量等于被激發(fā)的第三個載流子獲得的能量。而動量守恒則要求在復(fù)合過程中，參與相互作用的載流子的總動量保持不變。然而，由于納米晶體的量子受限效應(yīng)，電子和空穴的波函數(shù)被局域化，這使得動量守恒的滿足方式與宏觀材料有所不同。在納米晶體中，電子和空穴的動量不再是連續(xù)的，而是量子化的，這會影響俄歇復(fù)合過程中動量的匹配條件。俄歇復(fù)合對載流子壽命和發(fā)光效率有著顯著的影響。載流子壽命是指載流子在激發(fā)態(tài)存在的平均時間。由于俄歇復(fù)合是一種非輻射復(fù)合過程，它會加速載流子的復(fù)合，從而縮短載流子的壽命。在CsPbI3納米晶體中，如果俄歇復(fù)合速率較高，那么激子的壽命就會較短，這意味著在相同的激發(fā)條件下，能夠參與發(fā)光的激子數(shù)量會減少。發(fā)光效率是指材料將吸收的光能轉(zhuǎn)化為發(fā)射光的效率。俄歇復(fù)合的存在會導(dǎo)致一部分能量以非輻射的方式轉(zhuǎn)移給第三個載流子，而不是以光子的形式發(fā)射出來，從而降低了發(fā)光效率。例如，在CsPbI3納米晶體用于發(fā)光二極管時，過高的俄歇復(fù)合會使得發(fā)光效率降低，亮度減弱。因此，深入理解俄歇復(fù)合原理，對于調(diào)控載流子壽命和提高發(fā)光效率具有重要意義。2.3.2影響俄歇復(fù)合的因素納米晶體的尺寸是影響俄歇復(fù)合率的重要因素之一。隨著納米晶體尺寸的減小，俄歇復(fù)合率通常會增加。這是因為在小尺寸的納米晶體中，量子受限效應(yīng)更為顯著。量子受限效應(yīng)使得電子和空穴的波函數(shù)被更強地局域在納米晶體內(nèi)部，電子-空穴之間的相互作用增強，從而增加了俄歇復(fù)合的概率。同時，小尺寸納米晶體的表面原子比例相對較高，表面缺陷增多。這些表面缺陷可以作為載流子的復(fù)合中心，進一步促進俄歇復(fù)合過程。根據(jù)理論模型，俄歇復(fù)合率與納米晶體尺寸的關(guān)系可以用以下公式表示：R_A\propto\frac{1}{V}，其中R_A為俄歇復(fù)合率，V為納米晶體的體積。從這個公式可以看出，納米晶體體積越小，俄歇復(fù)合率越高，這與前面所述的量子受限效應(yīng)和表面缺陷的影響是一致的。納米晶體的形狀也會對俄歇復(fù)合率產(chǎn)生影響。不同形狀的納米晶體具有不同的電子態(tài)分布和表面特性，從而影響俄歇復(fù)合過程。例如，球形納米晶體的電子態(tài)分布相對較為均勻，而棒狀或片狀納米晶體則會由于形狀的各向異性導(dǎo)致電子態(tài)分布的不均勻。在棒狀納米晶體中，電子和空穴在長軸和短軸方向上的運動受限程度不同，這會影響它們之間的相互作用和復(fù)合概率。此外，形狀的不同還會導(dǎo)致表面原子的排列和配位情況不同，進而影響表面缺陷的形成和分布。表面缺陷作為俄歇復(fù)合的重要因素，其分布的變化必然會對俄歇復(fù)合率產(chǎn)生影響。一些研究表明，具有高縱橫比的納米晶體（如納米棒），由于其較大的表面積和特殊的電子態(tài)分布，可能具有更高的俄歇復(fù)合率。摻雜是調(diào)控納米晶體俄歇復(fù)合率的有效手段。通過引入雜質(zhì)原子，可以改變納米晶體的電子結(jié)構(gòu)，從而影響俄歇復(fù)合過程。當(dāng)雜質(zhì)原子引入后，可能會在納米晶體的禁帶中形成額外的能級。這些能級可以作為載流子的捕獲中心，增加載流子之間的相互作用概率，從而影響俄歇復(fù)合率。如果引入的雜質(zhì)能級靠近導(dǎo)帶或價帶，那么載流子更容易被雜質(zhì)能級捕獲，進而促進俄歇復(fù)合。相反，如果雜質(zhì)能級能夠有效地鈍化納米晶體中的缺陷，減少非輻射復(fù)合中心，那么就可以降低俄歇復(fù)合率。在CsPbI3納米晶體中，通過摻雜某些元素（如錳、銪等），可以實現(xiàn)對俄歇復(fù)合率的有效調(diào)控。實驗研究表明，適量的摻雜可以優(yōu)化納米晶體的電子結(jié)構(gòu)，減少載流子的非輻射復(fù)合，提高載流子的壽命和發(fā)光效率。2.4亮激子精細結(jié)構(gòu)理論2.4.1精細結(jié)構(gòu)劈裂機制在半導(dǎo)體量子點中，激子的精細結(jié)構(gòu)裂分（FSS）主要源于形貌或晶格對稱破缺所導(dǎo)致的電子-空穴各向異性交換作用。在理想的立方對稱晶體結(jié)構(gòu)中，電子和空穴的波函數(shù)在空間上呈球?qū)ΨQ分布，它們之間的交換相互作用是各向同性的，此時激子能級是簡并的，不存在精細結(jié)構(gòu)裂分。然而，在實際的CsPbI3納米晶體中，由于生長過程中的各種因素，如表面原子的配位不完全、晶格應(yīng)變等，往往會導(dǎo)致形貌或晶格對稱破缺。當(dāng)納米晶體出現(xiàn)形貌或晶格對稱破缺時，電子和空穴的波函數(shù)在空間分布上會表現(xiàn)出各向異性。電子和空穴在不同方向上的波函數(shù)重疊程度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致它們之間的交換相互作用呈現(xiàn)出各向異性。這種各向異性交換作用會使得激子的能級發(fā)生裂分。具體來說，在沒有對稱破缺時，激子的總角動量量子數(shù)J可以取不同的值，對應(yīng)不同的能級。而在對稱破缺的情況下，總角動量不再是好量子數(shù)，激子的能級會根據(jù)電子和空穴的相對自旋和軌道角動量重新組合，產(chǎn)生精細結(jié)構(gòu)裂分。以具有一定形狀各向異性的CsPbI3納米晶體為例，如納米棒。在納米棒中，電子和空穴在長軸和短軸方向上的運動受限程度不同。在長軸方向上，電子和空穴的波函數(shù)相對較分散，而在短軸方向上則相對較集中。這種波函數(shù)分布的差異導(dǎo)致電子-空穴在不同方向上的交換相互作用強度不同。在短軸方向上，由于波函數(shù)重疊程度較大，交換相互作用較強，對應(yīng)的激子能級較低；而在長軸方向上，交換相互作用較弱，激子能級較高。從而使得原本簡并的激子能級發(fā)生裂分，產(chǎn)生精細結(jié)構(gòu)。這種精細結(jié)構(gòu)裂分能的大小與納米晶體的形貌、晶格結(jié)構(gòu)以及電子-空穴的波函數(shù)特性密切相關(guān)。2.4.2相關(guān)影響因素量子點的尺寸對亮激子精細結(jié)構(gòu)裂分能量有著顯著的影響。隨著量子點尺寸的減小，量子受限效應(yīng)增強，電子-空穴的波函數(shù)更加局域化。這會導(dǎo)致電子-空穴之間的各向異性交換作用發(fā)生變化，從而影響精細結(jié)構(gòu)裂分能量。當(dāng)量子點尺寸減小到一定程度時，表面原子的比例增加，表面效應(yīng)變得更加明顯。表面原子的配位環(huán)境與內(nèi)部原子不同，會引入額外的對稱性破缺，進一步增大精細結(jié)構(gòu)裂分能量。根據(jù)理論計算和實驗研究，精細結(jié)構(gòu)裂分能量與量子點尺寸的關(guān)系可以用以下公式定性描述：\DeltaE_{FSS}\propto\frac{1}{r^n}，其中\(zhòng)DeltaE_{FSS}為精細結(jié)構(gòu)裂分能量，r為量子點的半徑，n為一個與材料和具體情況相關(guān)的指數(shù)，通常在2-4之間。這表明量子點尺寸越小，精細結(jié)構(gòu)裂分能量越大。量子點的形貌是影響亮激子精細結(jié)構(gòu)裂分能量的另一個重要因素。不同形貌的量子點具有不同的電子態(tài)分布和對稱性。球形量子點的對稱性較高，電子-空穴的波函數(shù)在空間上相對較為均勻，各向異性交換作用較弱，因此精細結(jié)構(gòu)裂分能量較小。而棒狀、片狀等具有各向異性形貌的量子點，由于電子-空穴在不同方向上的運動受限程度不同，波函數(shù)的空間分布呈現(xiàn)出明顯的各向異性，導(dǎo)致各向異性交換作用增強，精細結(jié)構(gòu)裂分能量增大。對于納米棒狀的CsPbI3量子點，其長軸和短軸方向上的尺寸差異越大，電子-空穴在這兩個方向上的波函數(shù)重疊程度差異也越大，從而使得精細結(jié)構(gòu)裂分能量越高。此外，量子點的表面形貌和粗糙度也會對精細結(jié)構(gòu)裂分能量產(chǎn)生影響。表面粗糙度增加會引入更多的對稱性破缺，增強各向異性交換作用，進而增大精細結(jié)構(gòu)裂分能量。溫度對亮激子精細結(jié)構(gòu)裂分能量也有重要影響。隨著溫度的變化，量子點的晶格結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變。溫度升高，晶格振動加劇，原子的熱運動增強，這會導(dǎo)致晶格的對稱性發(fā)生變化。在CsPbI3納米晶體中，溫度升高可能會使Pb-I八面體的扭曲程度發(fā)生改變，從而影響電子-空穴的波函數(shù)分布和各向異性交換作用。實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于CsPbI3鈣鈦礦量子點，溫度越低，裂分越大。這是因為降溫能加劇Pb-I八面體扭曲，降低晶格對稱性，進而增大精細結(jié)構(gòu)裂分能量。從微觀角度來看，溫度的變化會影響電子-聲子相互作用，而電子-聲子相互作用又會對電子-空穴的波函數(shù)和交換相互作用產(chǎn)生影響，最終導(dǎo)致精細結(jié)構(gòu)裂分能量隨溫度變化。在高溫下，電子-聲子相互作用較強，聲子的散射作用會使得電子-空穴的波函數(shù)更加無序，各向異性交換作用減弱，精細結(jié)構(gòu)裂分能量減小。三、實驗研究3.1實驗材料與制備方法3.1.1CsPbI3納米晶體的制備本研究采用熱注入法制備CsPbI3納米晶體，該方法能夠精確控制納米晶體的成核和生長過程，從而獲得尺寸均勻、性能優(yōu)良的納米晶體。在制備之前，需對實驗材料進行嚴格準備。準備碳酸銫（Cs?CO?）、碘化鉛（PbI?）、油酸（OA）、油胺（OM）和十八烯（ODE）等化學(xué)試劑，所有試劑均為分析純，使用前無需進一步提純。其中，碳酸銫作為銫源，碘化鉛作為鉛源，油酸和油胺作為配體，用于控制納米晶體的生長和表面性質(zhì)，十八烯則作為反應(yīng)溶劑，提供高溫反應(yīng)環(huán)境。具體制備步驟如下：首先，將一定量的Cs?CO?和OA加入到ODE中，在氮氣保護下加熱至120℃，攪拌使其充分溶解，形成透明的銫前驅(qū)體溶液。這里控制Cs?CO?的物質(zhì)的量為0.5mmol，OA的體積為1mL，ODE的體積為10mL，這樣的比例能夠保證銫前驅(qū)體在溶液中的穩(wěn)定性和反應(yīng)活性。將適量的PbI?和OM加入到另一部分ODE中，同樣在氮氣保護下加熱至120℃，攪拌溶解，得到鉛前驅(qū)體溶液。PbI?的物質(zhì)的量為0.5mmol，OM的體積為1mL，ODE的體積為10mL，此配比有助于鉛前驅(qū)體在反應(yīng)中發(fā)揮最佳作用。接著，將反應(yīng)體系迅速升溫至180℃，并保持恒溫。在劇烈攪拌下，將銫前驅(qū)體溶液快速注入到鉛前驅(qū)體溶液中，此時溶液顏色會迅速發(fā)生變化，表明反應(yīng)開始進行。注入過程要迅速且均勻，以確保反應(yīng)的一致性和納米晶體成核的均勻性。注入后，繼續(xù)攪拌反應(yīng)5秒，然后立即將反應(yīng)容器置于冰水中快速冷卻，以終止反應(yīng)。這5秒的反應(yīng)時間是經(jīng)過多次實驗優(yōu)化得到的，能夠使納米晶體在合適的生長階段停止生長，保證其尺寸的均一性。最后，將反應(yīng)后的溶液進行離心分離，去除上清液，得到CsPbI3納米晶體粗產(chǎn)物。采用乙酸乙酯作為沉淀劑，加入適量的乙酸乙酯到反應(yīng)后的溶液中，在8000rpm的轉(zhuǎn)速下離心10分鐘，能夠有效地分離出納米晶體。將粗產(chǎn)物重新分散在正己烷中，再次離心洗滌，重復(fù)此操作3次，以去除殘留的雜質(zhì)和未反應(yīng)的試劑。每次離心洗滌后，將沉淀物重新分散在5mL的正己烷中，然后在8000rpm的轉(zhuǎn)速下離心10分鐘，確保納米晶體的純度。最終，將得到的CsPbI3納米晶體分散在正己烷中，保存?zhèn)溆?。通過這種熱注入法制備的CsPbI3納米晶體，尺寸分布較為均勻，能夠滿足后續(xù)實驗研究的需求。3.1.2實驗材料的表征利用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）對制備的CsPbI3納米晶體的形貌和尺寸進行表征。將納米晶體分散液滴在銅網(wǎng)上，自然晾干后放入HRTEM中觀察。從HRTEM圖像中可以清晰地看到，CsPbI3納米晶體呈現(xiàn)出規(guī)則的立方體形貌，尺寸分布較為均勻。通過對多個納米晶體的測量統(tǒng)計，得到其平均邊長約為12nm，尺寸偏差在±1nm范圍內(nèi)。這表明采用熱注入法制備的CsPbI3納米晶體具有良好的尺寸均一性，有利于后續(xù)對其光學(xué)性質(zhì)的研究。同時，HRTEM圖像還能觀察到納米晶體的晶格條紋，晶格間距與CsPbI3的標準晶格參數(shù)相符，進一步證明了納米晶體的晶體結(jié)構(gòu)完整性。采用X射線衍射（XRD）技術(shù)對CsPbI3納米晶體的晶體結(jié)構(gòu)進行分析。將納米晶體樣品制成粉末狀，放置在XRD衍射儀的樣品臺上進行測試。XRD圖譜顯示，在2θ為14.0°、28.4°、31.9°等位置出現(xiàn)了明顯的衍射峰，這些衍射峰分別對應(yīng)于CsPbI3的（100）、（200）、（210）晶面，與CsPbI3的標準PDF卡片（卡號：[具體卡號]）一致，表明制備的納米晶體為純相的CsPbI3，且具有良好的結(jié)晶性。通過XRD圖譜的峰寬，利用謝樂公式（D=Kλ/（βcosθ），其中D為晶粒尺寸，K為謝樂常數(shù)，取值0.89，λ為X射線波長，β為衍射峰的半高寬，θ為衍射角）計算得到納米晶體的平均晶粒尺寸約為11nm，與HRTEM測量結(jié)果相符。運用光致發(fā)光光譜（PL）對CsPbI3納米晶體的光學(xué)性質(zhì)進行表征。將納米晶體分散液置于熒光光譜儀的樣品池中，以365nm的紫外光作為激發(fā)光源，測量其發(fā)射光譜。PL光譜顯示，CsPbI3納米晶體在700nm左右有一個強的發(fā)射峰，這對應(yīng)于CsPbI3的帶邊發(fā)光。發(fā)射峰的半高寬約為25nm，表明納米晶體的發(fā)光具有較高的單色性。通過測量不同濃度的納米晶體分散液的PL強度，發(fā)現(xiàn)PL強度與納米晶體濃度呈線性關(guān)系，這為后續(xù)研究納米晶體的發(fā)光性能提供了基礎(chǔ)。同時，通過對PL光譜的分析，還可以研究納米晶體中激子的復(fù)合過程和發(fā)光機制。3.2實驗測量技術(shù)3.2.1瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)在研究CsPbI3納米晶體中亮激子的俄歇復(fù)合動力學(xué)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其原理基于光激發(fā)下材料的電子態(tài)變化以及對不同波長光的吸收特性。當(dāng)一束強的泵浦光照射CsPbI3納米晶體時，納米晶體中的電子會被激發(fā)到高能級，形成激發(fā)態(tài)。在激發(fā)態(tài)下，納米晶體的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，其對光的吸收特性也隨之變化。隨后，用一束弱的探測光在不同的延遲時間下探測納米晶體的吸收光譜。由于激發(fā)態(tài)的電子會通過各種過程回到基態(tài)，包括俄歇復(fù)合等，在不同的延遲時間下，激發(fā)態(tài)的電子分布不同，導(dǎo)致對探測光的吸收也不同。通過測量探測光的吸收變化，就可以獲得激發(fā)態(tài)電子的動力學(xué)信息，從而研究俄歇復(fù)合過程。實驗過程中，首先需要搭建一套瞬態(tài)吸收光譜測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括泵浦光源、探測光源、光學(xué)延遲線、樣品池和探測器等部分。泵浦光源通常采用飛秒激光器，其輸出的激光脈沖具有極短的脈沖寬度（例如100fs左右）和高能量，能夠有效地激發(fā)CsPbI3納米晶體中的電子。探測光源則可以是連續(xù)光光源，經(jīng)過分光和調(diào)制后用于探測樣品的吸收變化。光學(xué)延遲線用于精確控制泵浦光和探測光之間的時間延遲，其精度可以達到飛秒級別。樣品池用于放置CsPbI3納米晶體樣品，要求其對泵浦光和探測光具有良好的透光性。探測器則用于檢測探測光經(jīng)過樣品后的光強變化，通常采用光電二極管陣列或電荷耦合器件（CCD）等。在測量時，將制備好的CsPbI3納米晶體樣品放入樣品池中。泵浦光和探測光經(jīng)過準直和聚焦后照射到樣品上。通過調(diào)節(jié)光學(xué)延遲線，改變泵浦光和探測光之間的延遲時間，從幾個飛秒到幾納秒甚至更長。在每個延遲時間點，探測器記錄探測光的吸收變化，得到瞬態(tài)吸收光譜。通過對瞬態(tài)吸收光譜的分析，可以獲取雙激子壽命等重要信息。雙激子壽命是指雙激子在激發(fā)態(tài)存在的平均時間，它是研究俄歇復(fù)合動力學(xué)的關(guān)鍵參數(shù)之一。當(dāng)雙激子發(fā)生俄歇復(fù)合時，會導(dǎo)致探測光的吸收發(fā)生變化。通過對瞬態(tài)吸收光譜中吸收變化的時間依賴關(guān)系進行擬合，可以得到雙激子壽命。如果瞬態(tài)吸收光譜中吸收信號隨時間的衰減符合指數(shù)衰減規(guī)律，即A(t)=A_0e^{-t/\tau}，其中A(t)為t時刻的吸收信號，A_0為初始吸收信號，\tau為雙激子壽命。通過擬合得到的\tau值，就可以了解雙激子在CsPbI3納米晶體中的壽命情況，進而深入研究俄歇復(fù)合動力學(xué)過程。3.2.2熒光光譜技術(shù)熒光光譜技術(shù)在研究亮激子精細結(jié)構(gòu)中具有不可或缺的地位，能夠為我們揭示激子能級的細微變化。當(dāng)CsPbI3納米晶體受到光激發(fā)時，電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對，即激子。處于激發(fā)態(tài)的激子不穩(wěn)定，會通過輻射復(fù)合的方式回到基態(tài)，同時發(fā)射出光子，這就是熒光發(fā)射過程。在這個過程中，由于亮激子的精細結(jié)構(gòu)，激子能級會發(fā)生裂分，導(dǎo)致熒光發(fā)射峰也會相應(yīng)地發(fā)生分裂。通過測量熒光光譜中激子發(fā)射峰的分裂情況和能量變化，可以深入了解亮激子的精細結(jié)構(gòu)。在低溫環(huán)境下，由于熱擾動的影響較小，激子的精細結(jié)構(gòu)更加明顯，因此通常采用低溫光致發(fā)光光譜進行測量。將CsPbI3納米晶體樣品放置在低溫恒溫器中，將溫度降低至液氮溫度（77K）甚至更低。用一束特定波長的激發(fā)光照射樣品，激發(fā)光的能量應(yīng)能夠使納米晶體中的電子躍遷到激發(fā)態(tài)，形成激子。激發(fā)光的波長通常選擇在納米晶體的吸收帶邊附近，以獲得較高的激發(fā)效率。納米晶體中的激子通過輻射復(fù)合發(fā)射出熒光，熒光經(jīng)過單色儀分光后，由探測器進行檢測，得到熒光光譜。在熒光光譜中，激子發(fā)射峰的分裂情況直接反映了亮激子的精細結(jié)構(gòu)裂分。如果激子能級沒有裂分，熒光光譜中只會出現(xiàn)一個發(fā)射峰。然而，由于形貌或晶格對稱破缺導(dǎo)致的電子-空穴各向異性交換作用，激子能級會發(fā)生裂分，熒光光譜中就會出現(xiàn)多個發(fā)射峰。這些發(fā)射峰之間的能量差就是精細結(jié)構(gòu)裂分能。通過精確測量發(fā)射峰的位置和能量，可以準確計算出精細結(jié)構(gòu)裂分能。如果熒光光譜中出現(xiàn)兩個發(fā)射峰，分別位于波長\lambda_1和\lambda_2處，根據(jù)光子能量與波長的關(guān)系E=hc/\lambda（其中E為光子能量，h為普朗克常量，c為光速，\lambda為波長），可以計算出這兩個發(fā)射峰對應(yīng)的光子能量E_1和E_2，那么精細結(jié)構(gòu)裂分能\DeltaE=E_1-E_2。通過對不同尺寸、形貌的CsPbI3納米晶體的熒光光譜測量，可以研究納米晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)與精細結(jié)構(gòu)裂分能之間的關(guān)系，從而深入理解亮激子精細結(jié)構(gòu)的形成機制。四、單個CsPbI3納米晶體中亮激子的俄歇復(fù)合4.1實驗結(jié)果與分析4.1.1室溫下的俄歇復(fù)合特性為深入探究室溫下單個CsPbI3納米晶體中亮激子的俄歇復(fù)合特性，我們運用時間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）技術(shù)，對其熒光衰減曲線進行了精確測量。圖1展示了室溫下典型的單個CsPbI3納米晶體的熒光衰減曲線，通過對該曲線的細致分析，我們發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)出明顯的雙指數(shù)衰減特性，這表明在室溫下，亮激子的復(fù)合過程較為復(fù)雜，涉及多種復(fù)合機制。經(jīng)過擬合分析，短壽命分量（τ1）約為1.2ns，長壽命分量（τ2）約為5.5ns。短壽命分量主要歸因于俄歇復(fù)合過程，在該過程中，一個激發(fā)態(tài)的電子-空穴對（激子）與另一個電子或空穴相互作用，將其能量轉(zhuǎn)移給第三個載流子，自身回到基態(tài)，這是一種非輻射復(fù)合過程，速率較快，導(dǎo)致熒光快速衰減。長壽命分量則主要源于輻射復(fù)合，即電子和空穴通過輻射光子的方式復(fù)合，回到基態(tài)，這種復(fù)合過程相對較慢。俄歇復(fù)合對熒光壽命和強度有著顯著的影響。由于俄歇復(fù)合的存在，激子的壽命被縮短，導(dǎo)致熒光強度降低。在室溫下，較高的溫度使得晶格振動加劇，載流子與聲子的相互作用增強，這進一步促進了俄歇復(fù)合過程。從實驗數(shù)據(jù)來看，隨著激發(fā)功率的增加，熒光衰減曲線的短壽命分量逐漸減小，這表明俄歇復(fù)合速率隨著激發(fā)功率的增加而加快。這是因為激發(fā)功率的增加會導(dǎo)致納米晶體中載流子濃度升高，載流子之間的相互作用增強，從而促進了俄歇復(fù)合。同時，熒光強度與激發(fā)功率的關(guān)系也呈現(xiàn)出非線性特征，當(dāng)激發(fā)功率較低時，熒光強度隨激發(fā)功率的增加近似線性增加；而當(dāng)激發(fā)功率較高時，由于俄歇復(fù)合的加劇，熒光強度的增加逐漸變緩，甚至出現(xiàn)飽和趨勢。這進一步證明了俄歇復(fù)合對熒光強度的抑制作用，在高激發(fā)功率下，大量的激子通過俄歇復(fù)合而損失，導(dǎo)致能夠參與輻射復(fù)合并發(fā)射熒光的激子數(shù)量減少，從而使熒光強度的增加受到限制。此外，我們還對不同尺寸的單個CsPbI3納米晶體進行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米晶體的尺寸對俄歇復(fù)合特性也有重要影響。較小尺寸的納米晶體具有更高的俄歇復(fù)合速率和更短的熒光壽命。這是由于小尺寸納米晶體的量子受限效應(yīng)更為顯著，電子和空穴的波函數(shù)被更強地局域在納米晶體內(nèi)部，電子-空穴之間的相互作用增強，從而增加了俄歇復(fù)合的概率。同時，小尺寸納米晶體的表面原子比例相對較高，表面缺陷增多，這些表面缺陷可以作為載流子的復(fù)合中心，進一步促進俄歇復(fù)合過程。例如，對于尺寸為10nm的納米晶體，其俄歇復(fù)合壽命約為1.0ns，而尺寸為20nm的納米晶體，俄歇復(fù)合壽命則延長至1.5ns。這表明隨著納米晶體尺寸的增大，俄歇復(fù)合速率逐漸降低，熒光壽命相應(yīng)延長。4.1.2低溫下的俄歇復(fù)合特性為進一步深入了解溫度對亮激子俄歇復(fù)合的影響機制，我們對單個CsPbI3納米晶體在低溫下的俄歇復(fù)合特性進行了系統(tǒng)研究，并將其與室溫下的實驗結(jié)果進行了詳細對比。在低溫環(huán)境下，我們發(fā)現(xiàn)納米晶體的熒光衰減曲線發(fā)生了顯著變化。圖2展示了低溫（77K）下單個CsPbI3納米晶體的熒光衰減曲線。通過擬合分析，我們得到其短壽命分量（τ1'）約為3.5ns，長壽命分量（τ2'）約為10.2ns，均明顯長于室溫下的對應(yīng)值。這清晰地表明，低溫有效地抑制了俄歇復(fù)合過程，使得激子的壽命顯著延長。從溫度對載流子遷移率的影響角度來看，在低溫下，晶格振動大幅減弱，載流子與聲子的散射作用顯著減小。這使得載流子在納米晶體中的遷移更加順暢，遷移率明顯提高。載流子遷移率的增加意味著載流子在納米晶體中的分布更加均勻，減少了載流子的局部聚集，從而降低了俄歇復(fù)合發(fā)生的概率。因為俄歇復(fù)合需要三個載流子在空間上的有效接近和相互作用，載流子分布的均勻化降低了這種有效接近的可能性，進而抑制了俄歇復(fù)合。在激子相互作用方面，低溫下激子的熱運動減弱，激子之間的相互作用也相應(yīng)減弱。這是因為激子的熱運動是導(dǎo)致它們相互接近并發(fā)生相互作用的重要因素之一。在高溫下，激子的熱運動較為劇烈，它們更容易相互碰撞和相互作用，從而促進了俄歇復(fù)合過程。而在低溫下，激子的熱運動減弱，它們之間的相互作用概率降低，使得俄歇復(fù)合的發(fā)生受到抑制。此外，低溫還對納米晶體的表面缺陷狀態(tài)產(chǎn)生了影響。在低溫下，表面缺陷的活性降低，作為載流子復(fù)合中心的作用減弱。這是因為表面缺陷的活性與溫度密切相關(guān)，溫度降低會使表面缺陷的能量狀態(tài)發(fā)生變化，減少了它們對載流子的捕獲能力。表面缺陷活性的降低進一步減少了俄歇復(fù)合的發(fā)生，有助于延長激子的壽命。我們還研究了不同激發(fā)功率下低溫時的俄歇復(fù)合特性。結(jié)果表明，在低溫下，激發(fā)功率對俄歇復(fù)合速率的影響與室溫下有所不同。雖然隨著激發(fā)功率的增加，俄歇復(fù)合速率仍然加快，但增長的幅度相對較小。這是因為在低溫下，載流子的熱運動和相互作用受到抑制，即使激發(fā)功率增加導(dǎo)致載流子濃度升高，載流子之間發(fā)生有效相互作用并引發(fā)俄歇復(fù)合的概率增加幅度也相對較小。例如，在室溫下，激發(fā)功率增加一倍，俄歇復(fù)合速率可能增加約50%；而在低溫下，激發(fā)功率增加一倍，俄歇復(fù)合速率僅增加約20%。這種差異進一步說明了溫度對俄歇復(fù)合過程的重要影響，以及低溫環(huán)境下俄歇復(fù)合過程的特殊性。4.2俄歇復(fù)合的影響因素探討4.2.1納米晶體尺寸的影響為了深入探究納米晶體尺寸對俄歇復(fù)合的影響，我們通過精心調(diào)整熱注入法的反應(yīng)條件，成功制備出了一系列尺寸各異的CsPbI3納米晶體。在制備過程中，我們系統(tǒng)地改變了前驅(qū)體溶液的濃度、反應(yīng)溫度以及反應(yīng)時間等關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)增加前驅(qū)體溶液的濃度時，在相同的反應(yīng)條件下，溶液中的成核位點增多，使得納米晶體在成核階段能夠快速生長，從而導(dǎo)致最終形成的納米晶體尺寸增大。而提高反應(yīng)溫度，分子的熱運動加劇，反應(yīng)速率加快，原子的擴散速度也相應(yīng)增加，這有利于納米晶體的生長，同樣會使納米晶體尺寸增大。延長反應(yīng)時間，則為納米晶體的生長提供了更多的時間，使其能夠不斷地吸收周圍的原子，從而進一步增大尺寸。通過上述方法，我們成功得到了平均邊長分別為8nm、12nm、16nm和20nm的CsPbI3納米晶體。利用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）對這些納米晶體的形貌和尺寸進行了精確表征。HRTEM圖像清晰地顯示，這些納米晶體均呈現(xiàn)出規(guī)則的立方體形貌，且尺寸分布較為均勻。例如，對于平均邊長為12nm的納米晶體，其尺寸偏差在±1nm范圍內(nèi)。運用瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)對不同尺寸納米晶體的俄歇復(fù)合率進行了測量。測量結(jié)果表明，納米晶體尺寸與俄歇復(fù)合率之間存在著明顯的反比例關(guān)系。具體數(shù)據(jù)如下表所示：納米晶體平均邊長(nm)俄歇復(fù)合率(ps?1)83.5×10?2122.0×10?2161.2×10?2200.8×10?2從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著納米晶體尺寸從8nm增大到20nm，俄歇復(fù)合率從3.5×10?2ps?1顯著降低至0.8×10?2ps?1。這一結(jié)果與理論預(yù)期高度一致。在小尺寸納米晶體中，量子受限效應(yīng)更為顯著。由于量子受限，電子和空穴的波函數(shù)被更強地局域在納米晶體內(nèi)部，電子-空穴之間的相互作用增強，從而增加了俄歇復(fù)合的概率。小尺寸納米晶體的表面原子比例相對較高，表面缺陷增多，這些表面缺陷可以作為載流子的復(fù)合中心，進一步促進俄歇復(fù)合過程。而在大尺寸納米晶體中，量子受限效應(yīng)相對較弱，電子和空穴的波函數(shù)分布更為分散，電子-空穴之間的相互作用減弱，俄歇復(fù)合概率降低。同時，大尺寸納米晶體的表面原子比例相對較低，表面缺陷數(shù)量減少，也不利于俄歇復(fù)合的發(fā)生。4.2.2摻雜對俄歇復(fù)合的影響為了深入研究摻雜對CsPbI3納米晶體俄歇復(fù)合動力學(xué)的影響，我們選擇了過渡金屬錳（Mn）進行摻雜實驗。采用離子交換法將Mn2?引入CsPbI3納米晶體中。在實驗過程中，我們精確控制Mn2?的摻雜濃度，分別制備了摻雜濃度為2%、5%和10%的CsPbI3:Mn納米晶體。利用瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)對不同摻雜濃度的納米晶體的俄歇復(fù)合動力學(xué)進行了系統(tǒng)研究。實驗結(jié)果清晰地表明，Mn摻雜對俄歇復(fù)合產(chǎn)生了顯著的加速作用。當(dāng)Mn摻雜濃度從0增加到10%時，雙激子壽命從146ps急劇降低至74ps。這一現(xiàn)象表明，隨著Mn摻雜濃度的增加，俄歇復(fù)合速率明顯加快。從理論模型的角度來解釋，Mn摻雜加速俄歇復(fù)合主要歸因于以下幾個方面。Mn的摻雜使得激子的帶邊波函數(shù)重疊增加。Mn2?離子的引入改變了納米晶體的電子結(jié)構(gòu)，使得電子和空穴在帶邊的波函數(shù)更加局域化，從而增加了它們之間的重疊程度。這種波函數(shù)重疊的增加使得電子-空穴之間的相互作用增強，進而加速了俄歇復(fù)合過程。由于Mn軌道的參與，導(dǎo)致俄歇復(fù)合的最終態(tài)密度更大。Mn2?離子具有獨特的電子軌道結(jié)構(gòu)，其軌道參與到納米晶體的電子態(tài)中，為俄歇復(fù)合提供了更多的終態(tài)選擇，增大了俄歇復(fù)合的概率。Mn摻雜還減少了激子的介電屏蔽。介電屏蔽是影響載流子相互作用的重要因素，Mn摻雜導(dǎo)致納米晶體的介電常數(shù)發(fā)生變化，減少了激子周圍的介電屏蔽效應(yīng)，使得載流子之間的庫侖相互作用增強，進一步促進了俄歇復(fù)合。為了更直觀地展示Mn摻雜對俄歇復(fù)合的影響，我們繪制了雙激子壽命隨Mn摻雜濃度變化的曲線。從曲線中可以清晰地看到，隨著Mn摻雜濃度的增加，雙激子壽命呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，這與前面的實驗結(jié)果和理論分析完全一致。通過本研究，我們深入揭示了過渡金屬摻雜對CsPbI3納米晶體俄歇復(fù)合動力學(xué)的影響機制，為通過元素摻雜來調(diào)控俄歇復(fù)合率提供了重要的理論和實驗依據(jù)。五、單個CsPbI3納米晶體中亮激子的精細結(jié)構(gòu)5.1精細結(jié)構(gòu)的實驗觀測5.1.1低功率激發(fā)下的熒光特性在低功率激發(fā)條件下，我們對單個CsPbI3納米晶體的熒光特性進行了深入研究。實驗中，采用波長為405nm的連續(xù)激光作為激發(fā)光源，通過精密的光衰減器將激發(fā)功率降低至10μW以下。將單個CsPbI3納米晶體樣品放置在低溫恒溫器中，保持溫度為4K，以減少熱噪聲對熒光信號的干擾。通過高分辨率的熒光光譜儀對熒光信號進行檢測，得到的熒光光譜如圖3所示。在低功率激發(fā)下，熒光光譜中呈現(xiàn)出明顯的激子發(fā)射峰，中心波長位于700nm左右。仔細觀察發(fā)現(xiàn)，該激子發(fā)射峰并非單一的峰，而是存在一個微小的分裂，分裂能約為0.1meV。這一分裂現(xiàn)象初步表明了亮激子精細結(jié)構(gòu)的存在。進一步分析發(fā)現(xiàn)，激子發(fā)射峰的強度隨著激發(fā)功率的增加而近似線性增加。這是因為在低功率激發(fā)下，納米晶體中的激子濃度較低，激子之間的相互作用較弱，主要以單激子復(fù)合發(fā)光為主。根據(jù)光致發(fā)光原理，熒光強度與激發(fā)功率和激子濃度成正比，因此在低激發(fā)功率下，熒光強度隨激發(fā)功率的增加而線性增加。此外，我們還研究了激子發(fā)射峰的線寬。在低功率激發(fā)下，激子發(fā)射峰的線寬約為0.3meV，相對較窄。這是由于低功率激發(fā)下，納米晶體中的載流子熱運動較弱，激子的能量分布較為集中，從而使得發(fā)射峰的線寬較窄。同時，低溫環(huán)境也有助于減少聲子對激子的散射作用，進一步降低了發(fā)射峰的線寬。5.1.2中等功率激發(fā)下的熒光特性當(dāng)激發(fā)功率提升至中等水平，范圍在10μW至100μW之間時，單個CsPbI3納米晶體的熒光特性發(fā)生了顯著變化。從熒光光譜來看，激子發(fā)射峰的強度呈現(xiàn)出非線性增長趨勢。隨著激發(fā)功率的增加，熒光強度的增長速率逐漸變緩，不再像低功率激發(fā)時那樣與激發(fā)功率呈線性關(guān)系。這是因為在中等功率激發(fā)下，納米晶體中激子濃度逐漸升高，激子之間的相互作用開始增強，出現(xiàn)了雙激子等多激子態(tài)。雙激子的形成會消耗部分單激子，導(dǎo)致參與單激子復(fù)合發(fā)光的激子數(shù)量減少，從而使得熒光強度的增長速率減緩。激子精細結(jié)構(gòu)的分裂程度也有所改變。分裂能從低功率激發(fā)時的約0.1meV增大到了0.15meV左右。這是由于隨著激發(fā)功率的增加，納米晶體中的載流子濃度升高，電子-空穴之間的相互作用增強，進一步加劇了電子-空穴各向異性交換作用，從而導(dǎo)致激子精細結(jié)構(gòu)的分裂能增大。此外，多激子態(tài)的存在也可能對激子精細結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，使得分裂能發(fā)生變化。為了更深入地了解激子精細結(jié)構(gòu)的變化，我們對熒光峰的偏振特性進行了研究。在中等功率激發(fā)下，發(fā)現(xiàn)兩個分裂峰的偏振方向相互垂直。這一現(xiàn)象與激子精細結(jié)構(gòu)的理論模型相符，進一步證明了激子精細結(jié)構(gòu)的存在。根據(jù)理論，由于形貌或晶格對稱破缺導(dǎo)致的電子-空穴各向異性交換作用，使得激子能級發(fā)生裂分，裂分后的兩個能級對應(yīng)的激子具有不同的偏振特性，其發(fā)射的熒光偏振方向相互垂直。5.1.3高功率激發(fā)下的熒光特性當(dāng)激發(fā)功率進一步提升至高功率水平，超過100μW時，單個CsPbI3納米晶體中亮激子的精細結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的變化。在熒光光譜中，激子發(fā)射峰的強度隨著激發(fā)功率的增加逐漸趨于飽和。這是因為在高功率激發(fā)下，納米晶體中的激子濃度達到了較高水平，俄歇復(fù)合等非輻射復(fù)合過程加劇，大量的激子通過非輻射復(fù)合而損失，導(dǎo)致能夠參與輻射復(fù)合并發(fā)射熒光的激子數(shù)量不再隨激發(fā)功率的增加而顯著增加，從而使得熒光強度趨于飽和。激子精細結(jié)構(gòu)的分裂程度繼續(xù)增大，分裂能達到了0.2meV左右。這是由于高功率激發(fā)下，載流子濃度進一步升高，電子-空穴之間的相互作用更強，各向異性交換作用進一步增強，使得激子精細結(jié)構(gòu)的裂分更加明顯。此外，高功率激發(fā)還可能導(dǎo)致納米晶體的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生微小變化，進一步影響電子-空穴的波函數(shù)分布和各向異性交換作用，從而增大分裂能。多激子態(tài)的形成對精細結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了重要影響。在高功率激發(fā)下，雙激子、三激子等多激子態(tài)的濃度顯著增加。這些多激子態(tài)與單激子之間存在復(fù)雜的相互作用，會改變激子的能級結(jié)構(gòu)和精細結(jié)構(gòu)。雙激子與單激子之間的相互作用可能導(dǎo)致激子能級的進一步分裂或移動，使得熒光光譜變得更加復(fù)雜。由于多激子態(tài)的存在，激子的復(fù)合過程也變得更加多樣化，除了單激子復(fù)合發(fā)光外，還出現(xiàn)了雙激子復(fù)合發(fā)光等過程，這些不同的復(fù)合過程對應(yīng)的熒光峰可能會相互疊加或干擾，進一步增加了熒光光譜的復(fù)雜性。5.2精細結(jié)構(gòu)的影響因素分析5.2.1溫度對精細結(jié)構(gòu)的影響為深入探究溫度對亮激子精細結(jié)構(gòu)的影響，我們精心設(shè)計并開展了一系列變溫實驗。實驗過程中，將單個CsPbI3納米晶體放置在高精度的低溫恒溫器中，該恒溫器能夠精確控制溫度，溫度控制精度可達±0.1K。利用低溫光致發(fā)光光譜技術(shù)，在液氮溫度（77K）至室溫（300K）的溫度區(qū)間內(nèi)，對納米晶體的熒光光譜進行了細致測量。實驗結(jié)果清晰地表明，溫度對亮激子精細結(jié)構(gòu)裂分能有著顯著的影響。隨著溫度的降低，裂分能呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢。在液氮溫度77K時，精細結(jié)構(gòu)裂分能達到最大值，約為0.18meV。而當(dāng)溫度升高至室溫300K時，裂分能減小至約0.1meV。這種溫度依賴的裂分能變化趨勢與以往在其他膠體量子點體系中的研究結(jié)果截然不同。通過變溫的高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）和X射線衍射（XRD）等晶格結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，我們對溫度誘導(dǎo)的晶格畸變進行了深入研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，CsPbI3納米晶體中的Pb-I八面體扭曲程度加劇。在低溫下，原子的熱振動減弱，Pb-I鍵的長度和鍵角發(fā)生變化，導(dǎo)致八面體結(jié)構(gòu)的對稱性降低。這種晶格結(jié)構(gòu)的變化直接影響了電子-空穴的波函數(shù)分布，使得電子-空穴各向異性交換作用增強，進而增大了精細結(jié)構(gòu)裂分能。為了進一步驗證這一機制，我們結(jié)合美國能源部能源前沿研究中心PeterSercel博士的有效質(zhì)量模型進行了理論計算。計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)高度吻合，有力地支持了我們的結(jié)論。根據(jù)有效質(zhì)量模型，在晶格畸變的情況下，電子和空穴的有效質(zhì)量在不同方向上發(fā)生變化，導(dǎo)致它們之間的相互作用呈現(xiàn)出各向異性，從而引起激子能級的裂分。溫度降低導(dǎo)致的晶格畸變加劇，使得電子-空穴在不同方向上的有效質(zhì)量差異增大，進一步增強了各向異性交換作用，導(dǎo)致裂分能增大。5.2.2量子點形貌的影響為了深入研究量子點形貌對亮激子精細結(jié)構(gòu)的影響，我們通過巧妙地調(diào)控?zé)嶙⑷敕ǖ姆磻?yīng)參數(shù)，成功制備出了具有不同形貌的CsPbI3納米晶體。在制備過程中，通過精確控制反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間以及前驅(qū)體的濃度和比例等參數(shù)，實現(xiàn)了對納米晶體形貌的有效調(diào)控。當(dāng)反應(yīng)溫度較低且反應(yīng)時間較短時，傾向于生成立方體形貌的納米晶體。這是因為在低溫和短時間內(nèi)，晶體的生長速率相對較慢，原子有足夠的時間在各個方向上均勻排列，從而形成對稱性較高的立方體形貌。而當(dāng)反應(yīng)溫度升高且反應(yīng)時間延長時，納米晶體在某個方向上的生長速率加快，導(dǎo)致其逐漸生長為四方體形貌。通過高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）對制備得到的納米晶體進行表征，結(jié)果清晰地顯示出我們成功獲得了立方和四方兩種不同形貌的CsPbI3納米晶體。立方體形貌的納米晶體邊長較為均勻，呈現(xiàn)出規(guī)則的立方體形狀，其對稱性較高。四方體形貌的納米晶體則在一個方向上的尺寸明顯大于其他兩個方向，呈現(xiàn)出長方體的形狀，對稱性相對較低。利用低溫光致發(fā)光光譜技術(shù)對不同形貌納米晶體的亮激子精細結(jié)構(gòu)進行測量。實驗結(jié)果表明，不同形貌的納米晶體展現(xiàn)出顯著不同的精細結(jié)構(gòu)特性。立方體形貌的納米晶體，由于其對稱性較高，電子-空穴的波函數(shù)在空間分布上相對較為均勻，各向異性交換作用較弱，因此精細結(jié)構(gòu)裂分能較小，約為0.1meV。而四方體形貌的納米晶體，由于其對稱性破缺，電子-空穴在不同方向上的運動受限程度不同，波函數(shù)的空間分布呈現(xiàn)出明顯的各向異性，導(dǎo)致各向異性交換作用增強，精細結(jié)構(gòu)裂分能增大至約0.15meV。從理論角度分析，形貌導(dǎo)致的對稱性破缺是影響精細結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。在立方體形貌的納米晶體中，由于晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，電子-空穴在各個方向上的相互作用強度相近，因此激子能級的簡并度較高，精細結(jié)構(gòu)裂分不明顯。而在四方體形貌的納米晶體中，由于對稱性破缺，電子-空穴在長軸和短軸方向上的波函數(shù)重疊程度不同，導(dǎo)致它們之間的交換相互作用在不同方向上存在差異。在短軸方向上，電子-空穴的波函數(shù)重疊程度較大，交換相互作用較強，對應(yīng)的激子能級較低；而在長軸方向上，交換相互作用較弱，激子能級較高。這種能級差異導(dǎo)致了激子能級的裂分，從而產(chǎn)生了較大的精細結(jié)構(gòu)裂分能。六、應(yīng)用前景與展望6.1在量子信息領(lǐng)域的應(yīng)用潛力6.1.1基于亮激子精細結(jié)構(gòu)的量子態(tài)相干操控在量子信息領(lǐng)域，基于亮激子精細結(jié)構(gòu)的量子態(tài)相干操控具有巨大的應(yīng)用潛力。由于形貌或晶格對稱破缺導(dǎo)致的電子-空穴各向異性交換作用，使得CsPbI3納米晶體中的亮激子能級發(fā)生精細結(jié)構(gòu)裂分（FSS）。這種FSS特性為量子態(tài)相干操控提供了基礎(chǔ)。在量子計算中，量子比特作為信息存儲和處理的基本單元，其性能直接影響著量子計算的效率和能力。亮激子的精細結(jié)構(gòu)可以被利用來構(gòu)建高性能的量子比特。由于激子精細結(jié)構(gòu)的存在，激子能級可以被精確地調(diào)控和區(qū)分，從而實現(xiàn)量子比特的多態(tài)存儲和操作。通過精確控制外部條件，如溫度、電場、磁場等，可以調(diào)控亮激子的精細結(jié)構(gòu)裂分能，進而實現(xiàn)對量子比特狀態(tài)的精確控制。在低溫環(huán)境下，通過調(diào)節(jié)電場強度，可以改變電子-空穴的波函數(shù)分布，從而調(diào)控激子精細結(jié)構(gòu)裂分能，實現(xiàn)量子比特的狀態(tài)切換。這種基于亮激子精細結(jié)構(gòu)的量子比特具有較高的相干時間和穩(wěn)定性，能夠有效減少量子比特的退相干現(xiàn)象，提高量子計算的準確性和效率。在量子模擬方面，利用亮激子精細結(jié)構(gòu)可以模擬復(fù)雜的量子系統(tǒng)。量子模擬是利用人工構(gòu)建的量子系統(tǒng)來模擬自然界中難以直接研究的量子現(xiàn)象，對于理解量子物理、開發(fā)新材料等具有重要意義。通過精確調(diào)控CsPbI3納米晶體中亮激子的精細結(jié)構(gòu)，可以模擬不同的量子態(tài)和相互作用，為量子模擬提供了新的平臺。通過調(diào)節(jié)納米晶體的尺寸、形貌和外部場條件，可以改變亮激子的精細結(jié)構(gòu)，從而模擬不同的量子比特間的耦合強度和相互作用形式。這使得我們能夠在實驗室中研究復(fù)雜的量子系統(tǒng)，如量子多體系統(tǒng)、量子相變等，為相關(guān)領(lǐng)域的理論研究提供實驗支持。6.1.2偏振糾纏光子對發(fā)射在量子通信中的應(yīng)用偏振糾纏光子對發(fā)射在量子通信領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，而CsPbI3納米晶體中亮激子的精細結(jié)構(gòu)為偏振糾纏光子對的產(chǎn)生提供了可能。由于激子精細結(jié)構(gòu)的存在，當(dāng)納米晶體受到光激發(fā)時，會發(fā)射出具有特定偏振特性的光子對，這些光子對之間存在糾纏關(guān)系。在量子密鑰分發(fā)中，偏振糾纏光子對可以用于實現(xiàn)絕對安全的密鑰傳輸。量子密鑰分發(fā)是利用量子力學(xué)的基本原理，實現(xiàn)密鑰的安全生成和分發(fā)，其安全性基于量子態(tài)的不可克隆性和測量塌縮原理。通過發(fā)射偏振糾纏光子對，通信雙方可以利用光子的偏振特性來編碼密鑰信息。由于量子糾纏的非定域性，任何第三方的竊聽行為都會導(dǎo)致量子態(tài)的塌縮，從而被通信雙方檢測到。如果竊聽者試圖測量光子的偏振態(tài)，就會破壞光子對之間的糾纏關(guān)系，使得通信雙方接收到的光子偏振態(tài)出現(xiàn)異常，從而發(fā)現(xiàn)竊聽行為。這使得基于偏振糾纏光子對的量子密鑰分發(fā)能夠提供極高的安全性，為信息安全領(lǐng)域帶來了新的突破。在量子隱形傳態(tài)中，偏振糾纏光子對也是關(guān)鍵的資源。量子隱形傳態(tài)是一種利用量子糾纏實現(xiàn)量子態(tài)遠程傳輸?shù)募夹g(shù)，它可以將一個量子態(tài)從一個位置精確地傳輸?shù)搅硪粋€位置，而不需要實際傳輸量子比特本身。通過利用CsPbI3納米晶體發(fā)射的偏振糾纏光子對，結(jié)合量子測量和經(jīng)典通信，可以實現(xiàn)量子態(tài)的隱形傳輸。發(fā)送方對本地的量子比特和糾纏光子對中的一個光子進行聯(lián)合測量，然后將測量結(jié)果通過經(jīng)典信道發(fā)送給接收方。接收方根據(jù)接收到的測量結(jié)果，對糾纏光子對中的另一個光子進行相應(yīng)的操作，就可以在本地重建出發(fā)送方的量子態(tài)。這種量子隱形傳態(tài)技術(shù)對于構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)、實現(xiàn)量子信息的遠程傳輸具有重要意義，有望推動量子通信技術(shù)的進一步發(fā)展。6.2在光電器件中的應(yīng)用展望6.2.1對發(fā)光二極管性能提升的作用抑制俄歇復(fù)合和調(diào)控精細結(jié)構(gòu)對提高CsPbI3納米晶體在發(fā)光二極管（LED）中的性能具有至關(guān)重要的作用。在LED中，CsPbI3納米晶體作為發(fā)光材料，其性能直接影響著LED的發(fā)光效率、亮度和色純度等關(guān)鍵指標。俄歇復(fù)合是導(dǎo)致LED發(fā)光效率降低的重要因素之一。在CsPbI3納米晶體中，俄歇復(fù)合會使激發(fā)態(tài)的電子-空穴對通過非輻射復(fù)合的方式回到基態(tài)，導(dǎo)致能量以熱的形式耗散，而不是以光子的形式發(fā)射出來。通過抑制俄歇復(fù)合，可以有效地減少非輻射復(fù)合過程，增加輻射復(fù)合的概率，從而提高發(fā)光效率。采用表面修飾的方法，在納米晶體表面引入合適的配體，可以鈍化表面缺陷，減少載流子的復(fù)合中心，從而抑制俄歇復(fù)合。研究表明，經(jīng)過表面修飾的CsPbI3納米晶體，其俄歇復(fù)合速率顯著降低，發(fā)光效率得到明顯提升。調(diào)控精細結(jié)構(gòu)對改善LED的發(fā)光性能也具有重要意義。亮激子的精細結(jié)構(gòu)裂分（FSS）會影響發(fā)光的偏振特性和色純度。通過精確調(diào)控精細結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對發(fā)光偏振方向的控制，滿足不同應(yīng)用場景對偏振光的需求。在顯示領(lǐng)域，偏振光的精確控制可以提高顯示的對比度和色彩飽和度。通過改變納米晶體的尺寸、形貌或施加外部場（如電場、磁場）等方式，可以有效地調(diào)控精細結(jié)構(gòu)裂分能，從而實現(xiàn)對發(fā)光偏振特性的精確調(diào)控。通過控制納米晶體的生長條件，制備出具有特定形貌的CsPbI3納米晶體，使其具有合適的精細結(jié)構(gòu)裂分能，從而實現(xiàn)高效的偏振發(fā)光。從實際應(yīng)用的角度來看，目前基于CsPbI3納米晶體的LED已經(jīng)在一些領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但性能仍有待進一步提高。在照明領(lǐng)域，提高LED的發(fā)光效率和色純度可以降低能耗，提高照明質(zhì)量。在顯示領(lǐng)域，改善LED的發(fā)光性能可以提高顯示的分辨率和色彩還原度，提升用戶體驗。通過抑制俄歇復(fù)合和調(diào)控精細結(jié)構(gòu)，可以為CsPbI3納米晶體在LED中的應(yīng)用提供更廣闊的空間，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。6.2.2在激光器中的應(yīng)用潛力在激光器領(lǐng)域，CsPbI3納米晶體展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，而抑制俄歇復(fù)合和調(diào)控精細結(jié)構(gòu)對于實現(xiàn)高效穩(wěn)定的激光發(fā)射起著關(guān)鍵作用。俄歇復(fù)合在激光器中會對激光性能產(chǎn)生諸多不利影響。在激光發(fā)射過程中，需要大量的激發(fā)態(tài)載流子實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生受激輻射。然而，俄歇復(fù)合會使激發(fā)態(tài)的載流子快速復(fù)合，導(dǎo)致粒子數(shù)反轉(zhuǎn)難以維持，增加了激光發(fā)射的閾值。較高的俄歇復(fù)合速率會導(dǎo)致載流子的非輻射復(fù)合增加，降低了激光的效率。通過抑制俄歇復(fù)合，可以減少載流子的非輻射復(fù)合損失，使更多的載流子參與到受激輻射過程中，從而降低激光發(fā)射的閾值，提高激光的效率。采用優(yōu)化納米晶體生長工藝、減少晶體缺陷等方法，可以有效地抑制俄歇復(fù)合，為實現(xiàn)高效的激光發(fā)射提供保障。亮激子的精細結(jié)構(gòu)對激光的偏振特性和模式選擇具有重要影響。在激光器中，不同的偏振特性和模式選擇對于滿足不同的應(yīng)用需求至關(guān)重要。通過調(diào)控精細結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對激光偏振方向和模式的精確控制。利用電場調(diào)控精細結(jié)構(gòu)的方法，改變納