應(yīng)變與缺陷：解鎖低維半導(dǎo)體及鈣鈦礦材料性能密碼一、引言1.1研究背景在當(dāng)今材料科學(xué)的前沿領(lǐng)域，低維半導(dǎo)體及鈣鈦礦材料以其獨(dú)特且卓越的物理性質(zhì)，成為了科研與應(yīng)用領(lǐng)域的焦點(diǎn)。低維半導(dǎo)體材料，如量子點(diǎn)、納米線和二維材料，由于量子限域效應(yīng)和高表面積體積比，展現(xiàn)出與塊體材料截然不同的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能。這些特性使得低維半導(dǎo)體在高速電子器件、高效光電器件以及高靈敏度傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。例如，量子點(diǎn)在發(fā)光二極管（LED）中的應(yīng)用，顯著提升了發(fā)光效率和色彩純度，為顯示技術(shù)的發(fā)展帶來了新的突破；碳納米管憑借其優(yōu)異的電學(xué)性能，有望成為下一代高性能晶體管的核心材料，推動集成電路向更小尺寸、更高性能邁進(jìn)。鈣鈦礦材料，特別是金屬鹵化物鈣鈦礦，近年來在光電領(lǐng)域取得了令人矚目的進(jìn)展。其具有高載流子遷移率、長載流子擴(kuò)散長度、可調(diào)帶隙以及易于溶液加工等優(yōu)點(diǎn)，在太陽能電池、光電探測器、發(fā)光器件和激光等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在太陽能電池領(lǐng)域，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率在短短十幾年內(nèi)從最初的3.8%迅速提升至超過25%，接近傳統(tǒng)硅基太陽能電池的效率水平，且具有成本低、制備工藝簡單等優(yōu)勢，被認(rèn)為是最有潛力的下一代光伏技術(shù)之一。在光電探測器方面，鈣鈦礦材料對可見光和近紅外光具有高靈敏度和快速響應(yīng)特性，可用于制備高性能的光電探測器，應(yīng)用于安防監(jiān)控、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。然而，無論是低維半導(dǎo)體還是鈣鈦礦材料，其實(shí)際性能往往受到應(yīng)變和缺陷的顯著影響。應(yīng)變作為一種外部刺激，可通過晶格畸變改變材料的原子間距離和鍵角，進(jìn)而對材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。在低維半導(dǎo)體中，應(yīng)變能夠調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能帶間隙的調(diào)節(jié)、間接-直接帶隙的轉(zhuǎn)變以及載流子遷移率的改變。在硅鍺納米線中，拉伸應(yīng)變可使帶隙減小，甚至實(shí)現(xiàn)間接帶隙向直接帶隙的轉(zhuǎn)變，這對于提高其發(fā)光效率和光電器件性能具有重要意義。在二維材料中，應(yīng)變還能誘導(dǎo)出一些新奇的物理現(xiàn)象，如壓電效應(yīng)、谷電子學(xué)效應(yīng)等，為開發(fā)新型電子器件提供了新的途徑。缺陷則是材料內(nèi)部原子排列的不完整性，包括點(diǎn)缺陷（如空位、間隙原子、雜質(zhì)原子等）、線缺陷（如位錯(cuò)）和面缺陷（如晶界、層錯(cuò)等）。這些缺陷在材料中充當(dāng)電荷陷阱、散射中心和非輻射復(fù)合中心，嚴(yán)重影響材料的電學(xué)和光學(xué)性能。在鈣鈦礦材料中，缺陷會導(dǎo)致載流子的非輻射復(fù)合增加，降低光電轉(zhuǎn)換效率和器件穩(wěn)定性。例如，鉛空位和碘空位等點(diǎn)缺陷會捕獲載流子，縮短載流子壽命，從而降低太陽能電池的性能。此外，缺陷還會影響材料的化學(xué)穩(wěn)定性，加速材料在環(huán)境中的降解，限制了其實(shí)際應(yīng)用。因此，深入研究應(yīng)變和缺陷對低維半導(dǎo)體及鈣鈦礦材料性能的影響，揭示其內(nèi)在物理機(jī)制，對于優(yōu)化材料性能、提高器件效率和穩(wěn)定性以及推動材料的實(shí)際應(yīng)用具有至關(guān)重要的意義。這不僅有助于解決當(dāng)前材料應(yīng)用中面臨的關(guān)鍵問題，還能為開發(fā)新型高性能材料和器件提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持，促進(jìn)材料科學(xué)與相關(guān)領(lǐng)域的協(xié)同發(fā)展。1.2研究目的與意義本研究聚焦于低維半導(dǎo)體及鈣鈦礦材料，旨在深入、系統(tǒng)地揭示應(yīng)變和缺陷對這兩類材料性能的作用機(jī)制，為材料性能優(yōu)化和新型器件開發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。低維半導(dǎo)體及鈣鈦礦材料在現(xiàn)代科技領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，但應(yīng)變和缺陷對其性能的影響復(fù)雜且關(guān)鍵，許多內(nèi)在機(jī)制尚未完全明晰。在低維半導(dǎo)體中，應(yīng)變?nèi)绾尉珳?zhǔn)調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)，缺陷又怎樣具體影響載流子的傳輸和復(fù)合過程，這些問題的深入探究對于挖掘材料的潛在性能、突破現(xiàn)有應(yīng)用瓶頸至關(guān)重要。以硅鍺納米線為例，不同程度和方向的應(yīng)變對其帶隙的調(diào)控規(guī)律仍有待進(jìn)一步精確闡釋，缺陷的存在對其在高頻電子器件應(yīng)用中的性能穩(wěn)定性影響也亟需深入研究。在鈣鈦礦材料中，缺陷的種類、濃度和分布與材料的光電轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性之間的定量關(guān)系尚不完全清楚，應(yīng)變在提高材料穩(wěn)定性和改善器件性能方面的具體作用機(jī)制也有待深入挖掘。本研究的成果將為低維半導(dǎo)體及鈣鈦礦材料的性能優(yōu)化提供直接的理論指導(dǎo)。通過深入理解應(yīng)變和缺陷的作用機(jī)制，可以針對性地設(shè)計(jì)材料的制備工藝和結(jié)構(gòu)，減少缺陷的產(chǎn)生，利用應(yīng)變實(shí)現(xiàn)對材料性能的精準(zhǔn)調(diào)控，從而提高材料的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能，為其在實(shí)際應(yīng)用中的大規(guī)模推廣奠定基礎(chǔ)。在鈣鈦礦太陽能電池中，通過對缺陷的有效控制和應(yīng)變的合理利用，有望進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換效率，降低制造成本，推動太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；在低維半導(dǎo)體的高速電子器件應(yīng)用中，通過精確調(diào)控應(yīng)變和缺陷，可提升器件的性能和穩(wěn)定性，滿足未來信息技術(shù)對高速、低功耗器件的需求。從新型器件開發(fā)的角度來看，本研究將為基于低維半導(dǎo)體及鈣鈦礦材料的新型器件設(shè)計(jì)提供創(chuàng)新思路。揭示應(yīng)變和缺陷誘導(dǎo)的新奇物理現(xiàn)象和效應(yīng)，為開發(fā)具有獨(dú)特功能的新型器件提供了可能。在二維材料中，應(yīng)變誘導(dǎo)的谷電子學(xué)效應(yīng)為新型谷電子器件的開發(fā)開辟了新方向；在鈣鈦礦材料中，對缺陷相關(guān)的光電特性的深入研究，可能催生新型的光電探測器和發(fā)光器件。這些新型器件的開發(fā)將豐富材料的應(yīng)用領(lǐng)域，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級和創(chuàng)新發(fā)展，為解決能源、信息、環(huán)境等領(lǐng)域的關(guān)鍵問題提供新的技術(shù)手段。1.3研究現(xiàn)狀1.3.1應(yīng)變對低維半導(dǎo)體材料影響的研究進(jìn)展在低維半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，應(yīng)變對其結(jié)構(gòu)和性能的影響研究取得了豐富成果。對于量子點(diǎn)，應(yīng)變會顯著改變其能帶結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，通過在量子點(diǎn)生長過程中引入晶格失配，可產(chǎn)生應(yīng)變。當(dāng)對量子點(diǎn)施加應(yīng)變時(shí)，其能帶發(fā)生分裂，能級間距改變，進(jìn)而影響量子點(diǎn)的光學(xué)發(fā)射特性。在自組裝的半導(dǎo)體量子點(diǎn)中，晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)變使量子點(diǎn)的帶隙減小，發(fā)光波長發(fā)生紅移，這一特性在光電器件應(yīng)用中，如量子點(diǎn)發(fā)光二極管，可用于精確調(diào)控發(fā)光顏色和效率。在納米線方面，應(yīng)變對其電學(xué)和力學(xué)性能的影響十分關(guān)鍵。在硅納米線中，軸向應(yīng)變會改變其載流子遷移率和有效質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算表明，拉伸應(yīng)變可使硅納米線的載流子遷移率提高，這是因?yàn)閼?yīng)變導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)變化，減小了載流子散射概率。同時(shí)，應(yīng)變還會影響納米線的力學(xué)性能，如彈性模量和屈服強(qiáng)度。對鍺納米線施加應(yīng)變時(shí)，隨著應(yīng)變增加，其彈性模量逐漸降低，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定程度，納米線會發(fā)生塑性變形，這在納米線用于柔性電子器件時(shí)，需要充分考慮應(yīng)變對其力學(xué)穩(wěn)定性的影響。二維材料如石墨烯、二硫化鉬等，應(yīng)變對其性能的調(diào)控作用也備受關(guān)注。對于石墨烯，由于其獨(dú)特的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，應(yīng)變可誘導(dǎo)出豐富的物理現(xiàn)象。當(dāng)對石墨烯施加拉伸應(yīng)變時(shí)，會打破其原有的狄拉克錐線性色散關(guān)系，產(chǎn)生能隙，這為石墨烯在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用開辟了新途徑。在二硫化鉬中，應(yīng)變可改變其能帶結(jié)構(gòu)和谷電子學(xué)特性。通過對二硫化鉬施加雙軸應(yīng)變，能實(shí)現(xiàn)其帶隙在一定范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)節(jié)，并且應(yīng)變還能調(diào)控其谷極化特性，有望應(yīng)用于谷電子學(xué)器件中，如基于二硫化鉬的谷比特。1.3.2缺陷對低維半導(dǎo)體材料影響的研究進(jìn)展低維半導(dǎo)體材料中的缺陷對其性能有著復(fù)雜且重要的影響。在量子點(diǎn)中，點(diǎn)缺陷如空位和雜質(zhì)原子會嚴(yán)重影響其光學(xué)性能?？瘴坏拇嬖跁纬煞禽椛鋸?fù)合中心，降低量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率。實(shí)驗(yàn)表明，在鎘硒量子點(diǎn)中，鎘空位的存在會捕獲激子，導(dǎo)致激子非輻射復(fù)合增加，熒光強(qiáng)度減弱。雜質(zhì)原子的摻雜則會改變量子點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)發(fā)射特性。在量子點(diǎn)中摻入錳離子，可引入磁性，實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的磁光耦合，拓展其在量子信息和生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域的應(yīng)用。納米線中的缺陷對其電學(xué)性能影響顯著。線缺陷如位錯(cuò)會增加載流子散射，降低載流子遷移率。在硅納米線中，位錯(cuò)密度的增加會使載流子遷移率急劇下降，這是因?yàn)槲诲e(cuò)處的晶格畸變會破壞電子的周期性勢場，導(dǎo)致載流子散射增強(qiáng)。面缺陷如晶界也會影響納米線的電學(xué)性能。在多晶納米線中，晶界處存在大量的懸掛鍵和缺陷態(tài)，這些缺陷態(tài)會捕獲載流子，形成勢壘，阻礙載流子傳輸，降低納米線的電導(dǎo)率。二維材料中的缺陷同樣對其性能產(chǎn)生重要影響。在石墨烯中，缺陷會破壞其完美的二維晶格結(jié)構(gòu)，改變其電學(xué)和力學(xué)性能。單原子空位會導(dǎo)致石墨烯的電導(dǎo)率下降，這是因?yàn)榭瘴惶幍碾娮釉品植及l(fā)生改變，影響了電子的傳導(dǎo)。在二硫化鉬中，缺陷會影響其光電性能。硫空位的存在會引入缺陷能級，成為載流子的陷阱，縮短載流子壽命，降低二硫化鉬在光電探測器中的響應(yīng)速度和靈敏度。1.3.3應(yīng)變對鈣鈦礦材料影響的研究進(jìn)展應(yīng)變在鈣鈦礦材料的性能調(diào)控方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，尤其是在穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換效率方面。在穩(wěn)定性方面，研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)膽?yīng)變可以增強(qiáng)鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過在鈣鈦礦薄膜與襯底之間引入晶格失配產(chǎn)生應(yīng)變，能夠調(diào)整鈣鈦礦的晶格參數(shù)，從而改變原子間的相互作用力。在有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦中，適當(dāng)?shù)睦鞈?yīng)變可以減少離子遷移，抑制材料在環(huán)境因素作用下的降解。這是因?yàn)閼?yīng)變改變了離子的擴(kuò)散路徑和遷移能壘，使得離子更難發(fā)生移動，從而提高了材料的化學(xué)穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性。在光電轉(zhuǎn)換效率方面，應(yīng)變能夠?qū)︹}鈦礦材料的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效調(diào)控，進(jìn)而提升光電轉(zhuǎn)換效率。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明，對鈣鈦礦施加應(yīng)變可以改變其帶隙寬度和載流子遷移率。在甲脒鉛碘鈣鈦礦中，施加一定程度的壓縮應(yīng)變可以使帶隙減小，更有利于吸收長波長的光，從而拓寬光吸收范圍。同時(shí)，應(yīng)變還可以改善載流子的傳輸特性，減少載流子復(fù)合，提高載流子遷移率，進(jìn)而提升光電轉(zhuǎn)換效率。通過在鈣鈦礦太陽能電池的制備過程中引入可控應(yīng)變，能夠優(yōu)化電池的性能，為提高鈣鈦礦太陽能電池的效率提供了新的策略。1.3.4缺陷對鈣鈦礦材料影響的研究進(jìn)展缺陷對鈣鈦礦材料性能的影響是當(dāng)前研究的重點(diǎn)之一，并且在缺陷調(diào)控策略方面也取得了一定進(jìn)展。在性能影響方面，鈣鈦礦材料中的點(diǎn)缺陷，如鉛空位、碘空位等，會對其電學(xué)和光學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。鉛空位會引入深能級陷阱，捕獲載流子，導(dǎo)致載流子壽命縮短，非輻射復(fù)合增加，從而降低光電轉(zhuǎn)換效率。實(shí)驗(yàn)研究表明，在甲銨鉛碘鈣鈦礦中，鉛空位濃度的增加會使太陽能電池的開路電壓和填充因子降低，嚴(yán)重影響電池性能。此外，缺陷還會影響鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性，加速材料在環(huán)境中的降解。為了減少缺陷對鈣鈦礦材料性能的負(fù)面影響，研究者們提出了多種缺陷調(diào)控策略。表面鈍化是一種常用的方法，通過在鈣鈦礦表面引入鈍化劑，如有機(jī)分子或無機(jī)化合物，能夠有效鈍化表面缺陷，減少非輻射復(fù)合。在鈣鈦礦表面沉積一層有機(jī)小分子，如苯甲酸，苯甲酸分子可以與鈣鈦礦表面的缺陷位點(diǎn)結(jié)合，填補(bǔ)缺陷，降低表面態(tài)密度，從而提高載流子壽命和光電轉(zhuǎn)換效率。此外，體相摻雜也是一種有效的缺陷調(diào)控策略。通過向鈣鈦礦晶格中摻入雜質(zhì)原子，如銫離子、溴離子等，可以改變晶格結(jié)構(gòu)，減少本征缺陷的形成，同時(shí)還能調(diào)節(jié)材料的光電性能。在甲銨鉛碘鈣鈦礦中摻入適量的銫離子，不僅可以提高材料的熱穩(wěn)定性，還能減少缺陷濃度，提升太陽能電池的性能。1.4研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)本研究綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究與理論計(jì)算相結(jié)合的方法，全面深入地探究應(yīng)變和缺陷對低維半導(dǎo)體及鈣鈦礦材料性能的影響機(jī)制。在實(shí)驗(yàn)研究方面，采用先進(jìn)的材料制備技術(shù)，如分子束外延（MBE）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、溶液旋涂法等，精確控制低維半導(dǎo)體及鈣鈦礦材料的生長過程，實(shí)現(xiàn)對材料維度、結(jié)構(gòu)和成分的精準(zhǔn)調(diào)控，并引入特定的應(yīng)變和缺陷。利用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、掃描隧道顯微鏡（STM）等微觀表征技術(shù)，對材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致觀察，精確測量應(yīng)變和缺陷的類型、濃度和分布。借助光致發(fā)光光譜（PL）、光電流譜（PC）、時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）等光電性能測試技術(shù)，深入研究材料在應(yīng)變和缺陷作用下的電學(xué)、光學(xué)性能變化。在理論計(jì)算方面，基于密度泛函理論（DFT），運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法，深入研究應(yīng)變和缺陷對材料電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響。通過構(gòu)建合理的理論模型，模擬不同類型和程度的應(yīng)變及缺陷，分析其對原子間相互作用、電子云分布和能帶結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制。采用分子動力學(xué)（MD）模擬方法，研究材料在應(yīng)變和缺陷存在下的動力學(xué)過程，如載流子輸運(yùn)、離子遷移等，從原子尺度揭示材料性能變化的微觀機(jī)制。本研究在研究視角和方法上具有一定的創(chuàng)新之處。在研究視角方面，首次將低維半導(dǎo)體和鈣鈦礦材料置于同一研究體系中，系統(tǒng)對比分析應(yīng)變和缺陷對兩類材料性能影響的共性與特性，為跨材料領(lǐng)域的性能優(yōu)化和器件開發(fā)提供了新思路。在研究方法上，將先進(jìn)的原位表征技術(shù)與多尺度理論計(jì)算相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對材料在應(yīng)變和缺陷作用下的動態(tài)過程和微觀機(jī)制的實(shí)時(shí)、全面研究。利用原位拉曼光譜和原位X射線衍射技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測材料在應(yīng)變和缺陷引入過程中的結(jié)構(gòu)和性能變化，并結(jié)合第一性原理計(jì)算和分子動力學(xué)模擬，深入解析其內(nèi)在機(jī)制，為材料性能的精準(zhǔn)調(diào)控提供了有力的技術(shù)支持。二、應(yīng)變對低維半導(dǎo)體材料的影響2.1應(yīng)變對低維半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的影響2.1.1晶格畸變在低維半導(dǎo)體材料中，應(yīng)變會導(dǎo)致晶格畸變，這是其結(jié)構(gòu)變化的重要表現(xiàn)形式之一。以硅鍺納米線為例，硅和鍺的晶格常數(shù)存在差異，當(dāng)它們組成納米線結(jié)構(gòu)時(shí)，由于晶格失配會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致晶格畸變。在硅鍺納米線的生長過程中，鍺原子的摻入使得晶格常數(shù)發(fā)生改變。鍺的晶格常數(shù)（0.5658nm）大于硅的晶格常數(shù)（0.5431nm），這種晶格常數(shù)的差異使得硅鍺納米線在生長時(shí)，晶格內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。在應(yīng)力作用下，納米線的鍵長和鍵角發(fā)生變化，原本規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)出現(xiàn)畸變。研究表明，隨著鍺含量的增加，硅鍺納米線的晶格常數(shù)逐漸增大，鍵長也相應(yīng)增加，鍵角則偏離理想值。這種晶格畸變不僅影響納米線的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還會對其電學(xué)和光學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。由于晶格畸變改變了原子間的距離和電子云分布，使得硅鍺納米線的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響載流子的傳輸和光學(xué)躍遷過程。2.1.2晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變在特定應(yīng)變條件下，低維半導(dǎo)體材料還可能發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變通常伴隨著原子排列方式的改變，進(jìn)而導(dǎo)致材料物理性質(zhì)的顯著變化。在一些具有多晶型結(jié)構(gòu)的低維半導(dǎo)體材料中，如氧化鋅（ZnO）納米線，在不同的應(yīng)變條件下，可能發(fā)生從纖鋅礦結(jié)構(gòu)到巖鹽礦結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)對ZnO納米線施加較大的壓力應(yīng)變時(shí)，原子間的距離和相互作用力發(fā)生改變，使得原本的纖鋅礦結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定，逐漸向巖鹽礦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。這種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的機(jī)制主要涉及原子的重排和鍵的重新組合。在應(yīng)變作用下，原子克服一定的能量勢壘，發(fā)生位置的移動和重新排列，形成新的晶體結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致材料的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能發(fā)生根本性改變。從電學(xué)性能來看，巖鹽礦結(jié)構(gòu)的ZnO與纖鋅礦結(jié)構(gòu)相比，其能帶結(jié)構(gòu)和載流子遷移率會有明顯差異，這將影響其在電子器件中的應(yīng)用性能；在光學(xué)性能方面，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變可能導(dǎo)致材料的光吸收和發(fā)射特性發(fā)生變化，從而影響其在光電器件中的應(yīng)用。2.2應(yīng)變對低維半導(dǎo)體材料電學(xué)性質(zhì)的影響2.2.1能帶結(jié)構(gòu)變化應(yīng)變對低維半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)的影響是其電學(xué)性質(zhì)改變的重要根源，通過第一性原理計(jì)算，能深入剖析這一微觀機(jī)制。以硅納米線為例，在拉伸應(yīng)變作用下，硅納米線的原子間距增大，晶格發(fā)生畸變，進(jìn)而導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)顯著變化。第一性原理計(jì)算結(jié)果顯示，隨著拉伸應(yīng)變的增加，硅納米線的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)哪芰堪l(fā)生相對移動，帶隙逐漸減小。這是因?yàn)槔鞈?yīng)變削弱了原子間的相互作用力，使得電子云分布發(fā)生改變，導(dǎo)帶底的能量降低，價(jià)帶頂?shù)哪芰可?，從而?dǎo)致帶隙變窄。當(dāng)拉伸應(yīng)變達(dá)到一定程度時(shí)，硅納米線甚至可能發(fā)生間接-直接帶隙的轉(zhuǎn)變。在間接帶隙半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂不在同一動量空間，電子躍遷需要聲子參與，效率較低；而直接帶隙半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂在同一動量空間，電子躍遷無需聲子參與，發(fā)光效率更高。這種帶隙的轉(zhuǎn)變和調(diào)控，在光電器件應(yīng)用中具有重要意義，如可用于制備高效率的發(fā)光二極管和激光二極管。在二維材料二硫化鉬中，應(yīng)變同樣對能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響。通過第一性原理計(jì)算不同應(yīng)變條件下二硫化鉬的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，雙軸應(yīng)變可實(shí)現(xiàn)對二硫化鉬帶隙的連續(xù)調(diào)節(jié)。當(dāng)施加雙軸拉伸應(yīng)變時(shí)，二硫化鉬的原子平面發(fā)生拉伸變形，層間相互作用減弱，帶隙逐漸減小；反之，施加雙軸壓縮應(yīng)變時(shí)，原子平面壓縮，層間相互作用增強(qiáng)，帶隙增大。這種通過應(yīng)變對二硫化鉬帶隙的精確調(diào)控，為其在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用提供了廣闊的空間。在晶體管應(yīng)用中，可以通過施加應(yīng)變來調(diào)節(jié)二硫化鉬的帶隙，從而實(shí)現(xiàn)對晶體管閾值電壓和開關(guān)性能的優(yōu)化，提高晶體管的性能和穩(wěn)定性。2.2.2載流子遷移率應(yīng)變對低維半導(dǎo)體材料載流子遷移率的影響是決定其電學(xué)性能的關(guān)鍵因素之一，這一影響可通過實(shí)驗(yàn)和理論分析深入探究。實(shí)驗(yàn)研究表明，在硅鍺納米線中，應(yīng)變會顯著改變載流子遷移率。當(dāng)對硅鍺納米線施加拉伸應(yīng)變時(shí)，其載流子遷移率會提高。這一現(xiàn)象的內(nèi)在物理機(jī)制主要涉及能帶結(jié)構(gòu)變化和散射機(jī)制的改變。從能帶結(jié)構(gòu)角度來看，拉伸應(yīng)變導(dǎo)致硅鍺納米線的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)帶變得更加平坦，電子的有效質(zhì)量減小。根據(jù)載流子遷移率與有效質(zhì)量的關(guān)系，有效質(zhì)量減小會使得載流子遷移率增大。從散射機(jī)制方面分析，應(yīng)變會改變原子間的距離和鍵角，使得晶格振動模式發(fā)生變化，從而影響載流子與聲子的散射概率。在拉伸應(yīng)變下，原子間距離增大，聲子振動頻率降低，載流子與聲子的散射概率減小，這也有助于提高載流子遷移率。在二維材料石墨烯中，應(yīng)變對載流子遷移率的影響也十分顯著。當(dāng)石墨烯受到均勻拉伸應(yīng)變時(shí)，其載流子遷移率會發(fā)生變化。理論分析表明，應(yīng)變會破壞石墨烯原有的狄拉克錐線性色散關(guān)系，導(dǎo)致載流子的散射機(jī)制發(fā)生改變。在無應(yīng)變的石墨烯中，載流子主要受到雜質(zhì)和晶格缺陷的散射；而在應(yīng)變作用下，除了雜質(zhì)和缺陷散射外，還會引入應(yīng)變誘導(dǎo)的散射。這種散射機(jī)制的改變會影響載流子的遷移率。當(dāng)應(yīng)變較小時(shí)，應(yīng)變誘導(dǎo)的散射相對較弱，載流子遷移率主要受雜質(zhì)和缺陷散射的影響；隨著應(yīng)變增大，應(yīng)變誘導(dǎo)的散射逐漸增強(qiáng)，對載流子遷移率的影響也逐漸增大。通過對石墨烯應(yīng)變與載流子遷移率關(guān)系的研究，有助于優(yōu)化石墨烯在電子器件中的應(yīng)用，提高器件的性能和穩(wěn)定性。2.3應(yīng)變對低維半導(dǎo)體材料光學(xué)性質(zhì)的影響2.3.1光吸收與發(fā)射特性應(yīng)變對低維半導(dǎo)體材料的光吸收與發(fā)射特性有著顯著影響，以量子點(diǎn)和納米線等典型低維半導(dǎo)體材料為例，這種影響在多個(gè)方面得以體現(xiàn)。在量子點(diǎn)中，應(yīng)變會導(dǎo)致光吸收邊發(fā)生位移。當(dāng)量子點(diǎn)受到應(yīng)變作用時(shí)，其能帶結(jié)構(gòu)改變，能級間距發(fā)生變化，進(jìn)而影響光吸收特性。在自組裝的半導(dǎo)體量子點(diǎn)中，由于晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)變，使得量子點(diǎn)的帶隙減小。根據(jù)光吸收的基本原理，帶隙減小會導(dǎo)致光吸收邊向長波長方向移動，即發(fā)生紅移現(xiàn)象。這種光吸收邊的位移在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。在量子點(diǎn)用于生物熒光標(biāo)記時(shí)，通過控制應(yīng)變來調(diào)節(jié)光吸收邊，使其能夠更好地匹配激發(fā)光源的波長，從而提高熒光標(biāo)記的效率和準(zhǔn)確性。應(yīng)變對量子點(diǎn)發(fā)射峰波長和強(qiáng)度也有明顯作用。隨著應(yīng)變的增加，量子點(diǎn)的發(fā)射峰波長通常會發(fā)生紅移。這是因?yàn)閼?yīng)變導(dǎo)致量子點(diǎn)的能級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，電子躍遷時(shí)釋放的能量減小，從而發(fā)射光的波長變長。在一些研究中，通過對量子點(diǎn)施加不同程度的應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)發(fā)射峰波長與應(yīng)變之間存在一定的線性關(guān)系。同時(shí)，應(yīng)變還會影響發(fā)射峰的強(qiáng)度。當(dāng)應(yīng)變較小時(shí)，發(fā)射峰強(qiáng)度可能會隨著應(yīng)變的增加而增強(qiáng)，這是因?yàn)閼?yīng)變改善了量子點(diǎn)的晶體質(zhì)量，減少了非輻射復(fù)合中心，從而提高了發(fā)光效率；但當(dāng)應(yīng)變超過一定程度時(shí)，發(fā)射峰強(qiáng)度可能會下降，這是由于過大的應(yīng)變導(dǎo)致量子點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷增加，非輻射復(fù)合加劇，降低了發(fā)光效率。在納米線方面，應(yīng)變同樣會影響其光吸收與發(fā)射特性。以氧化鋅納米線為例，當(dāng)對其施加應(yīng)變時(shí)，光吸收邊會發(fā)生移動。實(shí)驗(yàn)研究表明，拉伸應(yīng)變會使氧化鋅納米線的光吸收邊向短波方向移動，即發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象。這是因?yàn)槔鞈?yīng)變導(dǎo)致納米線的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，帶隙增大，使得光吸收所需的能量增加，從而光吸收邊向短波方向移動。在光發(fā)射特性方面，應(yīng)變會影響氧化鋅納米線的發(fā)射峰波長和強(qiáng)度。拉伸應(yīng)變會使發(fā)射峰波長發(fā)生藍(lán)移，并且發(fā)射峰強(qiáng)度也會發(fā)生變化。這是由于應(yīng)變改變了納米線內(nèi)部的電子躍遷過程，使得發(fā)射光的能量和強(qiáng)度發(fā)生改變。這種應(yīng)變對納米線光吸收與發(fā)射特性的影響，在納米線用于光電器件時(shí)，如紫外探測器和發(fā)光二極管，可通過控制應(yīng)變來優(yōu)化器件的光學(xué)性能，提高其工作效率和穩(wěn)定性。2.3.2激子特性應(yīng)變對低維半導(dǎo)體材料激子特性的影響是其光學(xué)性能變化的重要內(nèi)在因素，深入研究這一影響機(jī)制對于理解材料的光學(xué)行為具有關(guān)鍵意義。激子束縛能是激子的重要特性之一，應(yīng)變會對其產(chǎn)生顯著影響。在量子點(diǎn)中，當(dāng)受到應(yīng)變作用時(shí)，激子束縛能會發(fā)生改變。以鎘硒量子點(diǎn)為例，研究表明，拉伸應(yīng)變會使量子點(diǎn)的晶格發(fā)生畸變，原子間距離增大，電子-空穴對之間的庫侖相互作用減弱，從而導(dǎo)致激子束縛能減小。這種激子束縛能的變化會對材料的光學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。由于激子束縛能減小，激子更容易被熱激發(fā)或光激發(fā)解離，使得材料的發(fā)光效率降低。相反，在一些情況下，壓縮應(yīng)變可能會使激子束縛能增大。這是因?yàn)閴嚎s應(yīng)變使原子間距離減小，電子-空穴對之間的庫侖相互作用增強(qiáng)，激子更難解離，從而提高了材料的發(fā)光效率。激子半徑也是激子的關(guān)鍵特性，應(yīng)變同樣會對其產(chǎn)生作用。在納米線中，應(yīng)變會改變激子半徑。當(dāng)對硅納米線施加應(yīng)變時(shí)，激子半徑會發(fā)生變化。拉伸應(yīng)變會使納米線的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，電子和空穴的波函數(shù)分布發(fā)生變化，導(dǎo)致激子半徑增大。這是因?yàn)槔鞈?yīng)變使原子間距離增大，電子和空穴在空間中的分布更加分散，從而激子半徑增大。激子半徑的變化會影響材料的光學(xué)性能。激子半徑增大，意味著激子在材料中的擴(kuò)散范圍增大，這可能會增加激子與缺陷或雜質(zhì)的相互作用概率，導(dǎo)致非輻射復(fù)合增加，降低材料的發(fā)光效率。在二維材料中，應(yīng)變對激子特性的影響也十分顯著。在二硫化鉬中，應(yīng)變會改變激子的束縛能和半徑。雙軸應(yīng)變會使二硫化鉬的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響激子特性。當(dāng)施加雙軸拉伸應(yīng)變時(shí)，二硫化鉬的原子平面發(fā)生拉伸變形，層間相互作用減弱，激子束縛能減小，激子半徑增大。這種激子特性的變化會影響二硫化鉬的光學(xué)性能，如光吸收和發(fā)射特性。由于激子束縛能減小，激子更容易解離，使得二硫化鉬在光激發(fā)下產(chǎn)生的載流子數(shù)量增加，這在光電器件應(yīng)用中，如光電探測器，可提高探測器的響應(yīng)靈敏度。2.4案例分析：應(yīng)變調(diào)控硅納米線的性能2.4.1實(shí)驗(yàn)制備與表征本研究采用分子束外延（MBE）技術(shù)制備應(yīng)變硅納米線。MBE技術(shù)是在超高真空條件下，將硅原子束蒸發(fā)到特定襯底表面，通過精確控制原子的沉積速率和襯底溫度，實(shí)現(xiàn)硅納米線的精準(zhǔn)生長。在生長過程中，為引入應(yīng)變，選擇與硅晶格常數(shù)存在一定差異的襯底，如鍺襯底。由于硅和鍺的晶格常數(shù)不同，在硅納米線生長時(shí)，晶格失配會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而引入應(yīng)變。通過調(diào)節(jié)硅原子束的流量和襯底溫度，精確控制硅納米線的生長速率和質(zhì)量，確保制備出高質(zhì)量、具有特定應(yīng)變的硅納米線。對于制備的應(yīng)變硅納米線，采用多種先進(jìn)的表征技術(shù)對其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行分析。利用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察納米線的微觀結(jié)構(gòu)，能夠清晰地看到納米線的晶格結(jié)構(gòu)、界面狀況以及應(yīng)變導(dǎo)致的晶格畸變情況。通過測量晶格條紋的間距和角度變化，可以精確確定應(yīng)變的大小和方向。運(yùn)用拉曼光譜技術(shù)研究應(yīng)變硅納米線的振動特性。拉曼光譜中的特征峰位置和強(qiáng)度變化與納米線的應(yīng)變狀態(tài)密切相關(guān)，通過分析拉曼光譜，可以定量地確定納米線的應(yīng)變程度。在電學(xué)性能表征方面，采用四探針法測量納米線的電阻率，通過構(gòu)建金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）結(jié)構(gòu)，利用電流-電壓（I-V）測試分析納米線的電學(xué)輸運(yùn)特性，獲取載流子濃度、遷移率等關(guān)鍵電學(xué)參數(shù)。2.4.2性能分析與討論在電學(xué)性能方面，應(yīng)變硅納米線展現(xiàn)出獨(dú)特的特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，拉伸應(yīng)變使硅納米線的載流子遷移率顯著提高。在一定拉伸應(yīng)變下，硅納米線的載流子遷移率相較于無應(yīng)變時(shí)提高了[X]%。這是由于拉伸應(yīng)變導(dǎo)致硅納米線的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)帶變得更加平坦，電子有效質(zhì)量減小，同時(shí)載流子與聲子的散射概率降低，從而促進(jìn)了載流子的傳輸。這種載流子遷移率的提升，使得應(yīng)變硅納米線在高速電子器件中具有巨大的應(yīng)用潛力，有望用于制備高性能的晶體管，提高集成電路的運(yùn)行速度和降低功耗。在光學(xué)性能方面，應(yīng)變對硅納米線的光吸收和發(fā)射特性產(chǎn)生明顯影響。隨著應(yīng)變的增加，硅納米線的光吸收邊發(fā)生紅移，這意味著其能夠吸收更長波長的光。這種光吸收特性的變化，在光探測器應(yīng)用中具有重要意義，可用于制備對特定波長光敏感的探測器，拓展光探測的范圍。在光發(fā)射方面，應(yīng)變硅納米線的發(fā)射峰波長和強(qiáng)度也發(fā)生改變。實(shí)驗(yàn)觀察到，應(yīng)變導(dǎo)致發(fā)射峰波長紅移，且在一定應(yīng)變范圍內(nèi)，發(fā)射峰強(qiáng)度增強(qiáng)。這是因?yàn)閼?yīng)變改變了納米線內(nèi)部的電子躍遷過程，使得發(fā)射光的能量和強(qiáng)度發(fā)生變化。這種應(yīng)變調(diào)控的光發(fā)射特性，可用于制備發(fā)光二極管和激光二極管等光電器件，通過調(diào)節(jié)應(yīng)變實(shí)現(xiàn)對發(fā)光波長和強(qiáng)度的精確控制。從實(shí)際應(yīng)用潛力來看，應(yīng)變調(diào)控的硅納米線在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊前景。在高速通信領(lǐng)域，基于應(yīng)變硅納米線的高性能晶體管可用于制造高速信號處理芯片，提高數(shù)據(jù)傳輸和處理速度，滿足5G乃至未來6G通信對高速、低延遲的需求。在傳感器領(lǐng)域，利用應(yīng)變硅納米線對氣體分子吸附引起的電學(xué)性能變化，可制備高靈敏度的氣體傳感器，用于檢測環(huán)境中的有害氣體，實(shí)現(xiàn)對空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，應(yīng)變硅納米線可用于生物傳感器的制備，通過與生物分子的特異性相互作用，實(shí)現(xiàn)對生物分子的高靈敏度檢測，為疾病診斷和生物醫(yī)學(xué)研究提供有力工具。三、缺陷對低維半導(dǎo)體材料的影響3.1缺陷類型與形成機(jī)制3.1.1點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷是低維半導(dǎo)體材料中最為基本的缺陷類型，主要包括空位、間隙原子和替位原子?？瘴皇侵妇w中原子缺失的位置，其形成原因主要是在材料生長過程中，原子的熱振動使得部分原子獲得足夠能量脫離晶格位置，留下空位。在硅納米線的化學(xué)氣相沉積生長過程中，高溫環(huán)境下硅原子的熱運(yùn)動較為劇烈，部分硅原子可能會脫離晶格位置，從而形成空位。此外，高能粒子輻照也會導(dǎo)致空位的產(chǎn)生，當(dāng)材料受到高能粒子（如電子、中子等）轟擊時(shí)，粒子的能量傳遞給晶格原子，使其脫離晶格位置，形成空位。間隙原子是指處于晶格間隙位置的原子，其形成與晶體結(jié)構(gòu)和原子半徑密切相關(guān)。在一些低維半導(dǎo)體材料中，當(dāng)原子半徑較小的雜質(zhì)原子進(jìn)入晶體時(shí)，由于其無法占據(jù)正常的晶格位置，便會擠入晶格間隙，形成間隙原子。在硅納米線中，如果有氫原子等小半徑雜質(zhì)原子存在，氫原子可能會進(jìn)入硅原子之間的間隙位置，形成間隙氫原子。這種間隙原子的存在會破壞晶體的原有結(jié)構(gòu)，對材料的性能產(chǎn)生影響。替位原子則是指占據(jù)晶格中正常原子位置的異類原子，其形成通常是由于在材料制備過程中，有意或無意地引入了雜質(zhì)原子。在量子點(diǎn)的制備過程中，如果在原料中混入了其他元素的原子，這些原子在量子點(diǎn)生長時(shí)，可能會取代原本應(yīng)占據(jù)晶格位置的原子，形成替位原子。在鎘硒量子點(diǎn)中，如果原料中含有少量的鋅原子，在量子點(diǎn)生長過程中，鋅原子可能會取代部分鎘原子，占據(jù)鎘原子的晶格位置，形成替位鋅原子。替位原子的引入會改變材料的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而影響材料的性能。3.1.2線缺陷與面缺陷線缺陷主要表現(xiàn)為位錯(cuò)，是指晶體中一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)猶如晶體中插入了半個(gè)原子面，位錯(cuò)線即為已滑移部分和未滑移部分的交線。位錯(cuò)的形成機(jī)制主要與晶體生長和外部應(yīng)力作用有關(guān)。在晶體生長過程中，由于原子排列的不均勻性，可能會導(dǎo)致局部區(qū)域的原子發(fā)生錯(cuò)排，形成位錯(cuò)。在硅納米線的分子束外延生長過程中，原子在襯底表面的沉積速率和排列方式的微小差異，都可能引發(fā)位錯(cuò)的產(chǎn)生。此外，當(dāng)材料受到外部應(yīng)力作用時(shí)，如拉伸、壓縮或彎曲等，晶體內(nèi)部的原子會發(fā)生相對位移，當(dāng)位移達(dá)到一定程度時(shí)，就會形成位錯(cuò)。在納米線受到拉伸應(yīng)力時(shí)，原子平面之間會發(fā)生相對滑移，滑移過程中如果原子的排列出現(xiàn)不連續(xù)，就會產(chǎn)生位錯(cuò)。面缺陷包括層錯(cuò)和晶界等。層錯(cuò)是指晶體中原子堆垛順序的局部錯(cuò)亂，其形成與晶體的堆垛方式密切相關(guān)。在具有密排結(jié)構(gòu)的低維半導(dǎo)體材料中，如六方密堆積結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米線，原子的堆垛順序通常為ABAB……，如果在堆垛過程中出現(xiàn)了ABCABC……的局部堆垛順序錯(cuò)亂，就會形成層錯(cuò)。這種堆垛順序的錯(cuò)亂會導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的局部不完整性，影響材料的性能。晶界則是不同晶粒之間的界面，其原子排列較為混亂，能量較高。在多晶低維半導(dǎo)體材料的制備過程中，由于晶粒的生長方向和速度不同，晶粒之間會形成晶界。在多晶硅納米線的制備過程中，不同晶粒在生長時(shí)，其取向和生長速率存在差異，當(dāng)這些晶粒相互接觸并生長融合時(shí)，就會形成晶界。晶界的存在會影響材料的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能，例如，晶界處的原子排列混亂，會增加載流子散射，降低載流子遷移率，影響材料的電學(xué)性能。3.2缺陷對低維半導(dǎo)體材料電學(xué)性質(zhì)的影響3.2.1載流子濃度與導(dǎo)電類型點(diǎn)缺陷在低維半導(dǎo)體材料的電學(xué)性能中扮演著關(guān)鍵角色，尤其是在決定載流子濃度和導(dǎo)電類型方面。當(dāng)點(diǎn)缺陷作為施主時(shí)，會向材料中釋放電子，從而顯著增加載流子濃度。以硅納米線中的磷替位原子為例，磷原子具有5個(gè)價(jià)電子，而硅原子只有4個(gè)價(jià)電子。當(dāng)磷原子取代硅原子進(jìn)入晶格后，多余的一個(gè)價(jià)電子很容易被激發(fā)到導(dǎo)帶，成為自由電子，使得硅納米線中的電子濃度增加，成為n型半導(dǎo)體。這種由于施主缺陷導(dǎo)致的載流子濃度增加，會改變材料的電學(xué)性能，如電導(dǎo)率會隨著電子濃度的增加而增大。相反，當(dāng)點(diǎn)缺陷作為受主時(shí)，會接受電子，導(dǎo)致材料中電子濃度降低，空穴濃度增加，從而使材料的導(dǎo)電類型發(fā)生改變。在鍺量子點(diǎn)中，如果存在硼替位原子，硼原子只有3個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它取代鍺原子進(jìn)入晶格后，會形成一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可以接受來自價(jià)帶的電子，使得價(jià)帶中的空穴濃度增加，從而使鍺量子點(diǎn)成為p型半導(dǎo)體。這種受主缺陷對載流子濃度和導(dǎo)電類型的影響，在半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和制備中具有重要意義，通過控制受主缺陷的濃度，可以精確調(diào)節(jié)材料的電學(xué)性能，滿足不同器件的需求。3.2.2陷阱與復(fù)合中心缺陷在低維半導(dǎo)體材料中充當(dāng)陷阱或復(fù)合中心，對載流子壽命和輸運(yùn)過程產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)缺陷作為陷阱時(shí)，會捕獲載流子，延長載流子的壽命。在氧化鋅納米線中，氧空位是一種常見的缺陷，它可以作為電子陷阱。氧空位的存在使得納米線中形成了一個(gè)局部的勢能低谷，電子被捕獲在這個(gè)勢能低谷中，難以自由移動。這就導(dǎo)致載流子在陷阱中停留的時(shí)間增加，從而延長了載流子壽命。這種陷阱效應(yīng)在一些光電器件中具有重要應(yīng)用，如在發(fā)光二極管中，適當(dāng)?shù)南葳蹇梢匝娱L載流子的復(fù)合時(shí)間，提高發(fā)光效率。然而，當(dāng)缺陷作為復(fù)合中心時(shí)，會加速載流子的復(fù)合，縮短載流子壽命，嚴(yán)重影響材料的電學(xué)性能。在硫化鎘量子點(diǎn)中，鎘空位和硫空位等缺陷可以作為復(fù)合中心。這些缺陷會在量子點(diǎn)的能帶結(jié)構(gòu)中引入中間能級，載流子可以通過這些中間能級快速復(fù)合。當(dāng)電子和空穴在量子點(diǎn)中相遇時(shí)，它們可以通過缺陷引入的中間能級發(fā)生復(fù)合，釋放出能量，導(dǎo)致載流子壽命縮短。這種復(fù)合中心效應(yīng)會降低材料的電導(dǎo)率和光電轉(zhuǎn)換效率，在太陽能電池等光電器件中，需要盡量減少復(fù)合中心的存在，以提高器件的性能。3.3缺陷對低維半導(dǎo)體材料光學(xué)性質(zhì)的影響3.3.1發(fā)光特性改變?nèi)毕輰Φ途S半導(dǎo)體材料的發(fā)光特性有著顯著影響，以氮化鎵基量子阱為例，能清晰地觀察到這些變化。在氮化鎵基量子阱中，常見的缺陷如位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷會導(dǎo)致發(fā)光效率降低。位錯(cuò)作為線缺陷，會在量子阱中形成非輻射復(fù)合中心。由于位錯(cuò)處的晶格畸變嚴(yán)重，電子-空穴對在這些區(qū)域更容易發(fā)生復(fù)合，且這種復(fù)合過程以非輻射的形式進(jìn)行，導(dǎo)致大量的能量以熱能等形式散失，而非以光子的形式發(fā)射出來，從而降低了發(fā)光效率。實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)?shù)壔孔于逯械奈诲e(cuò)密度增加時(shí)，發(fā)光效率會急劇下降。除了發(fā)光效率降低，缺陷還會導(dǎo)致發(fā)射峰展寬或位移。點(diǎn)缺陷如空位和雜質(zhì)原子，會在量子阱的能帶結(jié)構(gòu)中引入局域能級。這些局域能級的存在使得電子躍遷過程變得更加復(fù)雜，不同能量的電子躍遷對應(yīng)著不同波長的光發(fā)射，從而導(dǎo)致發(fā)射峰展寬。在氮化鎵基量子阱中，如果存在氮空位，氮空位會引入缺陷能級，電子可以從導(dǎo)帶躍遷到這些缺陷能級，再躍遷到價(jià)帶，產(chǎn)生不同能量的光子，使得發(fā)射峰展寬。缺陷還可能導(dǎo)致發(fā)射峰位移。雜質(zhì)原子的摻入改變了量子阱的電子結(jié)構(gòu)和晶體場環(huán)境，影響了電子躍遷的能量，從而使發(fā)射峰發(fā)生位移。在氮化鎵基量子阱中摻入鎂原子，鎂原子作為雜質(zhì)會改變量子阱的能帶結(jié)構(gòu)，使得發(fā)射峰向長波長方向移動。3.3.2光生載流子復(fù)合缺陷對光生載流子復(fù)合過程的影響是其影響低維半導(dǎo)體材料光學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素之一，這一影響對材料的光電器件性能有著深遠(yuǎn)的作用。當(dāng)缺陷作為非輻射復(fù)合中心時(shí)，會嚴(yán)重影響光生載流子復(fù)合過程，降低材料的光電器件性能。在硫化鎘量子點(diǎn)中，鎘空位和硫空位等缺陷可作為非輻射復(fù)合中心。這些缺陷在量子點(diǎn)的能帶結(jié)構(gòu)中引入中間能級，光生載流子（電子和空穴）很容易被這些中間能級捕獲。當(dāng)電子和空穴被捕獲到中間能級后，它們更容易發(fā)生復(fù)合，且這種復(fù)合過程不發(fā)射光子，而是以熱能等形式釋放能量。這種非輻射復(fù)合過程的增加，使得光生載流子的壽命縮短，光生載流子在被收集之前就發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致光電流減小，從而降低了材料在光電器件（如光電探測器、太陽能電池等）中的性能。在硫化鎘量子點(diǎn)用于光電探測器時(shí)，非輻射復(fù)合中心的存在會降低探測器的響應(yīng)靈敏度和量子效率，影響探測器對光信號的探測能力。相反，當(dāng)缺陷作為輻射復(fù)合中心時(shí)，會對光生載流子復(fù)合過程產(chǎn)生不同的影響。在某些情況下，特定的缺陷可以促進(jìn)輻射復(fù)合，提高發(fā)光效率。在氧化鋅量子點(diǎn)中，適量的氧空位可以作為輻射復(fù)合中心。氧空位的存在在量子點(diǎn)的能帶結(jié)構(gòu)中引入了缺陷能級，電子和空穴可以通過這些缺陷能級發(fā)生輻射復(fù)合，發(fā)射出光子。這種輻射復(fù)合過程的增加，使得量子點(diǎn)的發(fā)光效率提高。在氧化鋅量子點(diǎn)用于發(fā)光二極管時(shí)，適量的氧空位作為輻射復(fù)合中心，可以增強(qiáng)發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度，提高其發(fā)光性能。但需要注意的是，缺陷作為輻射復(fù)合中心的情況較為復(fù)雜，且受到多種因素的影響，如缺陷的類型、濃度、分布以及材料的晶體結(jié)構(gòu)等。3.4案例分析：缺陷工程提升硒硫化銻太陽能電池性能3.4.1缺陷特性研究運(yùn)用深能級瞬態(tài)譜（DLTS）等技術(shù)，能夠深入研究硒硫化銻中缺陷的能級、濃度和形成機(jī)制。深能級瞬態(tài)譜技術(shù)是一種通過測量熱激發(fā)載流子從陷阱能級躍遷到導(dǎo)帶或價(jià)帶過程中產(chǎn)生的電容瞬變來研究半導(dǎo)體材料中深能級缺陷的有效方法。研究表明，硒硫化銻中的缺陷特性與材料的組分密切相關(guān)。在富銻的硒硫化銻薄膜中，存在三個(gè)電子陷阱，分別標(biāo)記為E1、E2和E3。通過對缺陷形成機(jī)制的深入分析，發(fā)現(xiàn)E1對應(yīng)間隙銻原子（Sbi），其形成是由于在薄膜生長過程中，銻原子在晶格間隙位置的嵌入。E2對應(yīng)硫空位（VS），這是由于在薄膜制備過程中，部分硫原子的缺失形成空位。E3對應(yīng)銻硫反位缺陷（SbS），是由于銻原子占據(jù)了硫原子的晶格位置，導(dǎo)致原子排列的錯(cuò)亂。這些缺陷的能級與導(dǎo)帶之間的相對位置不同，對載流子的捕獲和釋放行為產(chǎn)生不同的影響。在富硫的硒硫化銻薄膜中，只觀測到兩個(gè)空穴陷阱，標(biāo)記為H1和H2。其中，H1對應(yīng)銻空位（VSb），是由于薄膜中銻原子的缺失形成空位。H2對應(yīng)硫銻反位缺陷（SSb），是硫原子占據(jù)了銻原子的晶格位置。這些空穴陷阱的能級與價(jià)帶之間的相對位置決定了其對空穴的捕獲和釋放能力，進(jìn)而影響材料的電學(xué)性能。除了組分影響外，晶體結(jié)構(gòu)也對缺陷特性產(chǎn)生重要作用。硒硫化銻具有準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得其對雜質(zhì)原子具有一定的容忍性。研究發(fā)現(xiàn)，在(Sb4S6)n帶間隙中，雜質(zhì)原子的存在對載流子壽命影響較小。這是因?yàn)闇?zhǔn)一維結(jié)構(gòu)中的原子排列方式和電子云分布特點(diǎn)，使得雜質(zhì)原子的引入不會對載流子的傳輸和復(fù)合過程產(chǎn)生顯著的干擾。這種晶體結(jié)構(gòu)與缺陷特性之間的關(guān)系，為硒硫化銻材料的性能調(diào)控提供了重要的理論依據(jù)。3.4.2性能提升機(jī)制通過缺陷工程調(diào)控缺陷濃度和類型，能夠有效提升硒硫化銻太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，其具體機(jī)制主要涉及載流子復(fù)合和傳輸過程的優(yōu)化。在載流子復(fù)合方面，缺陷工程的關(guān)鍵作用在于減少非輻射復(fù)合，增加輻射復(fù)合。在硒硫化銻太陽能電池中，缺陷如硫空位、銻空位等往往作為非輻射復(fù)合中心，導(dǎo)致載流子的快速復(fù)合，降低光電轉(zhuǎn)換效率。通過缺陷工程，如精確控制薄膜的化學(xué)計(jì)量比，可減少這些非輻射復(fù)合中心的數(shù)量。在制備硒硫化銻薄膜時(shí)，嚴(yán)格控制硒、硫和銻的原子比例，使其接近化學(xué)計(jì)量比，能夠減少因原子缺失或過量導(dǎo)致的空位缺陷，從而降低非輻射復(fù)合概率。引入合適的雜質(zhì)原子進(jìn)行摻雜也是一種有效的缺陷調(diào)控手段。在硒硫化銻中摻入少量的特定雜質(zhì)原子，這些雜質(zhì)原子可以與缺陷相互作用，鈍化缺陷，減少非輻射復(fù)合。摻入鋅原子可以與硫空位結(jié)合，填補(bǔ)空位，降低缺陷能級，減少載流子在缺陷處的非輻射復(fù)合。這些措施增加了輻射復(fù)合的比例，使得更多的光生載流子能夠通過輻射復(fù)合發(fā)射出光子，提高了太陽能電池的發(fā)光效率和光電轉(zhuǎn)換效率。在載流子傳輸方面，缺陷工程致力于改善載流子的傳輸特性。硒硫化銻中的缺陷會影響載流子的遷移率，降低載流子的傳輸效率。通過缺陷工程減少缺陷濃度，能夠降低載流子在傳輸過程中的散射概率，提高載流子遷移率。優(yōu)化薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，減少晶界和位錯(cuò)等缺陷，也有助于改善載流子的傳輸路徑。在制備過程中，通過控制生長條件，如溫度、壓力和生長速率等，促進(jìn)硒硫化銻晶體的高質(zhì)量生長，減少晶界和位錯(cuò)的形成。這樣可以減少載流子在晶界和位錯(cuò)處的散射，使載流子能夠更順暢地傳輸，提高太陽能電池的短路電流和填充因子，從而提升光電轉(zhuǎn)換效率。四、應(yīng)變對鈣鈦礦材料的影響4.1應(yīng)變對鈣鈦礦材料晶體結(jié)構(gòu)的影響4.1.1晶格參數(shù)變化鈣鈦礦材料具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，其化學(xué)式通?？杀硎緸锳BX?，其中A為有機(jī)或無機(jī)陽離子，B為金屬陽離子，X為鹵離子。在理想的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，A陽離子位于立方晶格的頂點(diǎn)，B陽離子位于晶格的中心，X陰離子位于晶格的面心，形成一個(gè)三維的有序結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)受到應(yīng)變作用時(shí)，這種理想的結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，晶格參數(shù)也會相應(yīng)變化。應(yīng)變導(dǎo)致鈣鈦礦材料晶格參數(shù)改變的內(nèi)在機(jī)制與原子間的相互作用力密切相關(guān)。以甲銨鉛碘（MAPbI?）鈣鈦礦為例，當(dāng)對其施加拉伸應(yīng)變時(shí)，晶格在拉伸方向上被拉長，原子間距離增大。這是因?yàn)槔鞈?yīng)變打破了原本原子間的平衡狀態(tài)，使得原子之間的吸引力和排斥力發(fā)生變化，為了達(dá)到新的平衡，原子間距離增大，從而導(dǎo)致晶格參數(shù)如晶胞邊長增加。相反，當(dāng)施加壓縮應(yīng)變時(shí)，原子間距離減小，晶胞邊長縮短。研究表明，在一定范圍內(nèi)，晶格參數(shù)的變化與應(yīng)變程度呈近似線性關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)測量和理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MAPbI?鈣鈦礦受到1%的拉伸應(yīng)變時(shí)，晶胞邊長可能會增加約0.005nm。晶格參數(shù)的變化對鈣鈦礦材料晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有著重要影響。晶格參數(shù)的改變會導(dǎo)致原子間的鍵長和鍵角發(fā)生變化，進(jìn)而影響晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。當(dāng)晶格參數(shù)變化過大時(shí)，原子間的相互作用力無法維持晶體結(jié)構(gòu)的有序性，晶體結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生畸變甚至轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌?。在一些情況下，晶格參數(shù)的微小變化也可能引發(fā)晶體結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)狀態(tài)，使得材料在外界環(huán)境變化時(shí)更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，降低其穩(wěn)定性。4.1.2相轉(zhuǎn)變應(yīng)變能夠引發(fā)鈣鈦礦材料在不同相之間的轉(zhuǎn)變，這種相轉(zhuǎn)變過程涉及到晶體結(jié)構(gòu)的顯著變化和原子排列方式的重新調(diào)整。以典型的鈣鈦礦材料MAPbI?為例，它在不同溫度和應(yīng)變條件下存在多種相態(tài)。在室溫下，MAPbI?通常處于四方相，具有較高的對稱性和有序的晶體結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)對其施加一定的應(yīng)變時(shí)，原子間的相互作用力和晶體結(jié)構(gòu)的能量狀態(tài)發(fā)生改變，可能會促使其向其他相轉(zhuǎn)變。當(dāng)施加較大的壓縮應(yīng)變時(shí)，MAPbI?可能會從四方相轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较?。這是因?yàn)閴嚎s應(yīng)變使得原子間距離減小，原本在四方相中相對穩(wěn)定的原子排列方式在新的應(yīng)變條件下變得不穩(wěn)定，原子通過重新排列形成立方相，以降低系統(tǒng)的能量。相轉(zhuǎn)變過程還可能涉及到原子的位移和晶格的重構(gòu)，需要克服一定的能量勢壘。應(yīng)變引發(fā)鈣鈦礦材料相轉(zhuǎn)變的條件主要包括應(yīng)變的類型、大小和作用時(shí)間，以及材料的溫度和化學(xué)成分等。在較高溫度下，原子具有較高的熱運(yùn)動能量，更容易克服相轉(zhuǎn)變的能量勢壘，因此相轉(zhuǎn)變更容易發(fā)生。材料的化學(xué)成分也會影響相轉(zhuǎn)變條件，不同的A、B陽離子和X陰離子組合，會導(dǎo)致鈣鈦礦材料具有不同的晶體結(jié)構(gòu)和相轉(zhuǎn)變特性。在甲脒鉛碘（FAPbI?）鈣鈦礦中，由于甲脒陽離子的結(jié)構(gòu)和尺寸與甲銨陽離子不同，其相轉(zhuǎn)變條件和過程也與MAPbI?有所差異。研究應(yīng)變引發(fā)鈣鈦礦材料相轉(zhuǎn)變的過程和條件，對于深入理解鈣鈦礦材料的物理性質(zhì)和應(yīng)用性能具有重要意義，能夠?yàn)椴牧系闹苽浜蛻?yīng)用提供理論指導(dǎo)。4.2應(yīng)變對鈣鈦礦材料光電性能的影響4.2.1帶隙與載流子遷移率應(yīng)變對鈣鈦礦材料帶隙寬度和載流子遷移率的影響，是其影響光電轉(zhuǎn)換效率的重要機(jī)制。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明，應(yīng)變能夠顯著改變鈣鈦礦材料的帶隙寬度。在甲銨鉛碘鈣鈦礦中，當(dāng)施加拉伸應(yīng)變時(shí)，原子間距離增大，化學(xué)鍵被拉長，電子云分布發(fā)生改變，導(dǎo)致帶隙增大。這是因?yàn)槔鞈?yīng)變使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，原本的電子軌道相互作用減弱，電子躍遷所需的能量增加，從而帶隙增大。相反，壓縮應(yīng)變會使原子間距離減小，化學(xué)鍵縮短，電子云分布更加集中，帶隙減小。研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，帶隙寬度的變化與應(yīng)變程度呈近似線性關(guān)系。通過精確控制應(yīng)變程度，可以實(shí)現(xiàn)對鈣鈦礦材料帶隙的精準(zhǔn)調(diào)控，使其能夠更好地匹配不同的應(yīng)用需求，如在太陽能電池中，通過調(diào)整帶隙以提高對太陽光的吸收效率。應(yīng)變對載流子遷移率的影響也十分顯著。在鈣鈦礦材料中，載流子遷移率受到晶體結(jié)構(gòu)、原子間相互作用以及缺陷等多種因素的影響，而應(yīng)變會改變這些因素，從而影響載流子遷移率。以甲脒鉛碘鈣鈦礦為例，實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，適當(dāng)?shù)膲嚎s應(yīng)變可以提高載流子遷移率。這是因?yàn)閴嚎s應(yīng)變使原子間距離減小，電子云的重疊程度增加，電子在晶格中的傳輸更加順暢，從而降低了載流子散射概率，提高了載流子遷移率。應(yīng)變還可以改變鈣鈦礦材料的晶體結(jié)構(gòu)，減少晶界和缺陷的影響，進(jìn)一步促進(jìn)載流子的傳輸。在一些研究中，通過引入可控應(yīng)變，使得鈣鈦礦材料的載流子遷移率提高了[X]%，顯著提升了其電學(xué)性能。帶隙和載流子遷移率的變化對鈣鈦礦材料光電轉(zhuǎn)換效率有著直接的影響。在太陽能電池中，合適的帶隙能夠保證材料對太陽光的有效吸收，而高載流子遷移率則有助于提高載流子的傳輸效率，減少載流子復(fù)合，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)鈣鈦礦材料的帶隙與太陽光的光譜匹配度提高，且載流子遷移率增加時(shí)，更多的光子能夠被吸收并轉(zhuǎn)化為電能，太陽能電池的短路電流和開路電壓都會得到提升，進(jìn)而提高光電轉(zhuǎn)換效率。研究表明，通過應(yīng)變調(diào)控使鈣鈦礦材料的帶隙和載流子遷移率得到優(yōu)化后，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率可提高[X]%。4.2.2發(fā)光性能以鈣鈦礦量子點(diǎn)為例，應(yīng)變對其發(fā)光性能的影響體現(xiàn)在多個(gè)方面，包括發(fā)光波長、強(qiáng)度和穩(wěn)定性等。在發(fā)光波長方面，應(yīng)變會導(dǎo)致鈣鈦礦量子點(diǎn)的發(fā)光波長發(fā)生顯著變化。當(dāng)對鈣鈦礦量子點(diǎn)施加拉伸應(yīng)變時(shí)，量子點(diǎn)的晶格發(fā)生畸變，原子間距離增大，電子-空穴對之間的庫侖相互作用減弱，能級間距減小，從而使得發(fā)光波長紅移。這是因?yàn)榘l(fā)光波長與能級間距成反比，能級間距減小，發(fā)光波長就會變長。相反，壓縮應(yīng)變會使原子間距離減小，電子-空穴對之間的庫侖相互作用增強(qiáng)，能級間距增大，發(fā)光波長藍(lán)移。研究表明，在一定范圍內(nèi)，發(fā)光波長的變化與應(yīng)變程度呈線性關(guān)系。通過精確控制應(yīng)變程度，可以實(shí)現(xiàn)對鈣鈦礦量子點(diǎn)發(fā)光波長的精準(zhǔn)調(diào)控，使其能夠滿足不同光電器件對發(fā)光波長的要求，如在發(fā)光二極管中，可根據(jù)需要調(diào)整發(fā)光波長以實(shí)現(xiàn)不同顏色的發(fā)光。在發(fā)光強(qiáng)度方面，應(yīng)變對鈣鈦礦量子點(diǎn)也有重要影響。適當(dāng)?shù)膽?yīng)變可以增強(qiáng)鈣鈦礦量子點(diǎn)的發(fā)光強(qiáng)度。當(dāng)施加適量的應(yīng)變時(shí)，量子點(diǎn)的晶體質(zhì)量得到改善，缺陷密度降低，非輻射復(fù)合中心減少，從而使得更多的電子-空穴對能夠通過輻射復(fù)合發(fā)射出光子，發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)。在一些研究中，通過對鈣鈦礦量子點(diǎn)施加特定的應(yīng)變，使其發(fā)光強(qiáng)度提高了[X]%。然而，當(dāng)應(yīng)變超過一定程度時(shí)，會導(dǎo)致量子點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷增加，非輻射復(fù)合加劇，發(fā)光強(qiáng)度反而下降。因此，在利用應(yīng)變調(diào)控鈣鈦礦量子點(diǎn)發(fā)光強(qiáng)度時(shí)，需要精確控制應(yīng)變程度，以獲得最佳的發(fā)光效果。在發(fā)光穩(wěn)定性方面，應(yīng)變同樣會對鈣鈦礦量子點(diǎn)產(chǎn)生影響。合適的應(yīng)變可以提高鈣鈦礦量子點(diǎn)的發(fā)光穩(wěn)定性。通過應(yīng)變調(diào)控，改善量子點(diǎn)的晶體結(jié)構(gòu)，減少離子遷移和缺陷的產(chǎn)生，從而提高發(fā)光穩(wěn)定性。在高溫或高濕度環(huán)境下，應(yīng)變后的鈣鈦礦量子點(diǎn)能夠保持相對穩(wěn)定的發(fā)光性能，而未應(yīng)變的量子點(diǎn)可能會因?yàn)榄h(huán)境因素導(dǎo)致發(fā)光性能急劇下降。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過應(yīng)變處理的鈣鈦礦量子點(diǎn)在高溫高濕環(huán)境下，發(fā)光強(qiáng)度的衰減速率明顯降低，能夠在較長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的發(fā)光。4.3應(yīng)變對鈣鈦礦材料穩(wěn)定性的影響4.3.1熱穩(wěn)定性鈣鈦礦材料在高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和性能退化是其實(shí)際應(yīng)用中面臨的重要問題，而應(yīng)變在其中起著關(guān)鍵作用。研究表明，適當(dāng)?shù)膽?yīng)變可以顯著提高鈣鈦礦材料的熱穩(wěn)定性。在甲銨鉛碘鈣鈦礦中，通過在襯底與鈣鈦礦薄膜之間引入晶格失配產(chǎn)生應(yīng)變，能夠有效抑制高溫下的結(jié)構(gòu)相變和離子遷移。當(dāng)溫度升高時(shí)，無應(yīng)變的鈣鈦礦材料容易發(fā)生從四方相到立方相的轉(zhuǎn)變，這種相轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致材料的晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，進(jìn)而影響其光電性能。然而，引入適當(dāng)?shù)睦鞈?yīng)變后，鈣鈦礦的晶格結(jié)構(gòu)得到調(diào)整，原子間的相互作用力增強(qiáng)，相轉(zhuǎn)變的溫度閾值提高。研究發(fā)現(xiàn)，施加一定拉伸應(yīng)變的甲銨鉛碘鈣鈦礦在比無應(yīng)變樣品高[X]℃的溫度下才發(fā)生相轉(zhuǎn)變，有效提高了材料在高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。應(yīng)變對鈣鈦礦材料在高溫下性能退化的抑制作用主要源于其對離子遷移的阻礙。在高溫下，鈣鈦礦材料中的離子（如碘離子、甲銨離子等）具有較高的熱運(yùn)動能量，容易發(fā)生遷移，這會導(dǎo)致材料的電學(xué)和光學(xué)性能退化。而應(yīng)變的引入改變了離子的擴(kuò)散路徑和遷移能壘。當(dāng)施加拉伸應(yīng)變時(shí)，晶格被拉長，離子間的距離增大，離子遷移需要克服更高的能量勢壘，從而減少了離子遷移的速率。通過實(shí)驗(yàn)測量和理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在拉伸應(yīng)變作用下，鈣鈦礦材料中碘離子的遷移率降低了[X]%，有效抑制了因離子遷移導(dǎo)致的性能退化。這種應(yīng)變對鈣鈦礦材料熱穩(wěn)定性的影響，在鈣鈦礦太陽能電池的實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義，能夠提高電池在高溫環(huán)境下的工作穩(wěn)定性和壽命。4.3.2光照穩(wěn)定性在光照條件下，鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性和離子遷移行為是影響其應(yīng)用性能的關(guān)鍵因素，應(yīng)變在其中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。研究表明，應(yīng)變能夠顯著影響鈣鈦礦材料在光照下的穩(wěn)定性。在混合鹵化物鈣鈦礦MAPb(BrxI1-x)3中，光照會導(dǎo)致離子遷移和相分離，從而降低材料的穩(wěn)定性和光電性能。然而，通過引入適當(dāng)?shù)膽?yīng)變，可以有效抑制光照誘導(dǎo)的離子遷移和相分離。當(dāng)對MAPb(BrxI1-x)3施加壓縮應(yīng)變時(shí)，晶格結(jié)構(gòu)得到強(qiáng)化，離子間的相互作用力增強(qiáng)，離子遷移的活化能提高。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算表明，壓縮應(yīng)變使得鹵離子的遷移活化能增加了[X]eV，從而減少了光照下鹵離子的遷移速率，抑制了相分離的發(fā)生。在光照強(qiáng)度為[X]W/m2的條件下，施加壓縮應(yīng)變的MAPb(BrxI1-x)3薄膜在連續(xù)光照[X]小時(shí)后，仍能保持相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和光電性能，而無應(yīng)變的薄膜則出現(xiàn)了明顯的相分離和性能下降。應(yīng)變對鈣鈦礦材料光照穩(wěn)定性的影響機(jī)制與離子遷移行為密切相關(guān)。在光照下，鈣鈦礦材料吸收光子產(chǎn)生光生載流子，這些載流子的存在會影響離子的遷移行為。應(yīng)變通過改變材料的電子結(jié)構(gòu)和晶體場環(huán)境，影響光生載流子與離子之間的相互作用，從而調(diào)控離子遷移。在拉伸應(yīng)變作用下，鈣鈦礦的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，光生載流子的分布和壽命改變，與離子的相互作用減弱，離子遷移受到抑制。通過時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜和原位X射線衍射等技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，拉伸應(yīng)變使得光生載流子的壽命延長了[X]ns，減少了光生載流子對離子遷移的促進(jìn)作用，進(jìn)而提高了材料在光照下的穩(wěn)定性。這種應(yīng)變對鈣鈦礦材料光照穩(wěn)定性的調(diào)控，為提高鈣鈦礦光電器件（如太陽能電池、光電探測器等）的長期穩(wěn)定性提供了新的策略。4.4案例分析：應(yīng)力補(bǔ)償穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池4.4.1界面納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)北京理工大學(xué)陳棋教授團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的界面納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，旨在通過在SnO?/鈣鈦礦界面引入Rb?CO?層來實(shí)現(xiàn)應(yīng)力補(bǔ)償，從而有效提升鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，鈣鈦礦太陽能電池的多層堆疊結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致界面處應(yīng)力-應(yīng)變集中，嚴(yán)重影響器件性能。電荷輸送層（如SnO?）與鈣鈦礦之間機(jī)械性能的不匹配和粘附不足，往往會引發(fā)應(yīng)力應(yīng)變過載，進(jìn)而導(dǎo)致薄膜裂紋和過早分層，加速結(jié)構(gòu)分解和設(shè)備退化。Rb?CO?層具有獨(dú)特的雪花狀納米結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使其在應(yīng)力補(bǔ)償方面具有顯著優(yōu)勢。從熱膨脹系數(shù)的角度來看，Rb?CO?具有合適的熱膨脹系數(shù)，與鈣鈦礦和SnO?的熱膨脹系數(shù)存在一定差異。在溫度變化過程中，這種熱膨脹系數(shù)的差異能夠促使Rb?CO?層在界面處產(chǎn)生應(yīng)力松弛作用。當(dāng)溫度升高時(shí)，由于Rb?CO?與周圍材料的熱膨脹程度不同，Rb?CO?層會發(fā)生一定的形變，從而吸收和分散界面處產(chǎn)生的應(yīng)力，避免應(yīng)力集中對鈣鈦礦層造成損傷。Rb?CO?層能夠誘導(dǎo)鈣鈦礦層形成壓縮應(yīng)變。通過掠入射X射線衍射（GIXRD）譜圖分析可以發(fā)現(xiàn)，在引入Rb?CO?層后，鈣鈦礦層的晶格發(fā)生了明顯的變化，表現(xiàn)出壓縮應(yīng)變的特征。這是因?yàn)镽b?CO?層的存在改變了鈣鈦礦層與SnO?層之間的相互作用力，使得鈣鈦礦層在生長過程中受到一定的擠壓，從而形成壓縮應(yīng)變。這種壓縮應(yīng)變對于鈣鈦礦太陽能電池的性能提升具有重要意義，它能夠優(yōu)化鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)，改善載流子傳輸特性，減少缺陷態(tài)密度，進(jìn)而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。4.4.2性能提升與穩(wěn)定性增強(qiáng)該界面納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對鈣鈦礦太陽能電池的性能提升和穩(wěn)定性增強(qiáng)效果顯著。從光電轉(zhuǎn)換效率方面來看，基于Rb?CO?層所制備的鈣鈦礦光伏器件，其開路電壓從1.087V顯著提高到1.153V，有效面積為0.08313cm2的器件光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到22.7%，在1cm2的器件上也獲得了20.6%的轉(zhuǎn)化效率。這一提升主要源于多個(gè)方面。Rb?CO?層實(shí)現(xiàn)了非輻射復(fù)合的減少。通過穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光（PL）發(fā)射光譜和時(shí)間分辨PL光譜分析可知，引入Rb?CO?層后，鈣鈦礦薄膜的PL強(qiáng)度增強(qiáng)，壽命延長，表明非輻射復(fù)合中心減少，更多的光生載流子能夠參與到光電轉(zhuǎn)換過程中。在沉積在不同電子傳輸層（ETL）上的鈣鈦礦薄膜中，引入Rb?CO?層的薄膜PL強(qiáng)度明顯高于未引入的薄膜，這直接證明了Rb?CO?層對非輻射復(fù)合的抑制作用。Rb?CO?層優(yōu)化了能帶匹配。通過紫外光電子能譜（UPS）和Kelvin探針力顯微鏡（KPFM）等技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，Rb?CO?層的引入調(diào)整了SnO?與鈣鈦礦之間的能級排列，使得載流子在界面處的傳輸更加順暢，減少了能量損失，從而提高了光電轉(zhuǎn)換效率。在能帶排列示意圖中可以清晰地看到，引入Rb?CO?層后，SnO?與鈣鈦礦之間的能級差減小，載流子更容易從鈣鈦礦層注入到SnO?層，促進(jìn)了電荷的傳輸。在穩(wěn)定性方面，這些器件表現(xiàn)出出色的性能。在最大功率點(diǎn)跟蹤2700小時(shí)后，仍保留了其初始光電轉(zhuǎn)換效率的95%。這主要是因?yàn)镽b?CO?層引入的壓縮應(yīng)變增強(qiáng)了鈣鈦礦層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，抑制了離子遷移和缺陷的產(chǎn)生。在光老化實(shí)驗(yàn)中，通過面掃PL譜圖可以觀察到，未引入Rb?CO?層的鈣鈦礦樣品在光照下PL強(qiáng)度迅速衰減，而引入Rb?CO?層的壓縮鈣鈦礦樣品PL強(qiáng)度衰減緩慢，表明其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好。壓縮應(yīng)變還改善了鈣鈦礦與SnO?之間的粘附性，減少了界面處的應(yīng)力集中，從而有效抑制了薄膜裂紋和分層現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)一步提高了器件的長期穩(wěn)定性。五、缺陷對鈣鈦礦材料的影響5.1鈣鈦礦材料中的常見缺陷及形成原因5.1.1陽離子空位與間隙陽離子在鈣鈦礦材料中，陽離子空位和間隙陽離子是較為常見的點(diǎn)缺陷類型，它們的形成原因與材料的制備過程和原子特性密切相關(guān)。以甲銨鉛碘（MAPbI?）鈣鈦礦為例，陽離子空位的形成主要是由于在材料制備過程中，原子的熱運(yùn)動或化學(xué)計(jì)量比的偏差。在高溫溶液法制備MAPbI?鈣鈦礦時(shí)，甲銨陽離子（MA?）和鉛陽離子（Pb2?）在晶體生長過程中，可能會因?yàn)闊嵴駝佣撾x晶格位置，形成陽離子空位。如果在原料中MA?或Pb2?的含量不足，也會導(dǎo)致在晶體生長時(shí)部分晶格位置缺少陽離子，從而形成陽離子空位。陽離子空位在晶體結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)為晶格位置上陽離子的缺失，這種缺失會破壞晶體的電中性和原子排列的周期性。間隙陽離子的形成則與原子半徑和晶體結(jié)構(gòu)的間隙大小有關(guān)。當(dāng)一些半徑較小的陽離子，如鋰離子（Li?），在材料制備過程中進(jìn)入鈣鈦礦晶格時(shí)，由于其半徑小于晶格中正常陽離子的半徑，無法占據(jù)正常的晶格位置，便會擠入晶格間隙，形成間隙陽離子。在一些研究中，通過離子注入的方法將Li?引入MAPbI?鈣鈦礦中，發(fā)現(xiàn)Li?會在晶格間隙位置存在，形成間隙Li?。間隙陽離子的存在會導(dǎo)致晶格畸變，因?yàn)殚g隙陽離子的進(jìn)入會使晶格局部區(qū)域的原子間距離和鍵角發(fā)生改變，從而影響晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。5.1.2陰離子空位與反位缺陷陰離子空位和反位缺陷也是鈣鈦礦材料中常見的缺陷類型，它們的產(chǎn)生機(jī)制和對材料性能的影響具有重要研究價(jià)值。在鈣鈦礦材料中，陰離子空位的形成通常與材料的制備條件和化學(xué)穩(wěn)定性有關(guān)。在MAPbI?鈣鈦礦中，碘陰離子（I?）空位的形成可能是由于在高溫退火過程中，碘原子的揮發(fā)導(dǎo)致部分晶格位置缺少碘離子。在潮濕環(huán)境中，水與鈣鈦礦發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可能會使碘離子脫離晶格，形成碘空位。碘空位的存在會破壞晶體的電中性，導(dǎo)致局部電荷分布不均勻，進(jìn)而影響材料的電學(xué)性能。由于碘空位的存在，會在材料中引入額外的能級，這些能級可能成為載流子的陷阱，影響載流子的傳輸和復(fù)合過程。反位缺陷是指原子占據(jù)了晶格中其他原子的位置，這種缺陷的形成與原子的化學(xué)性質(zhì)和晶體生長過程中的原子排列有關(guān)。在MAPbI?鈣鈦礦中，可能會出現(xiàn)甲銨陽離子占據(jù)碘離子位置（MAI）或碘離子占據(jù)甲銨陽離子位置（IMA）的反位缺陷。這種反位缺陷的形成是由于在晶體生長過程中，原子的排列出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致不同原子占據(jù)了錯(cuò)誤的晶格位置。反位缺陷會改變材料的電子結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵游恢玫母淖儠?dǎo)致電子云分布發(fā)生變化，從而影響材料的電學(xué)和光學(xué)性能。MAI反位缺陷會引入新的能級，影響載流子的輸運(yùn)和復(fù)合過程，降低材料的光電轉(zhuǎn)換效率。5.2缺陷對鈣鈦礦材料光電性能的影響5.2.1載流子復(fù)合與傳輸在鈣鈦礦材料中，缺陷充當(dāng)載流子復(fù)合中心時(shí)，會顯著影響載流子的壽命和傳輸過程，進(jìn)而對光電性能產(chǎn)生負(fù)面影響。以甲銨鉛碘（MAPbI?）鈣鈦礦為例，其中常見的鉛空位（VPb）和碘空位（VI）等點(diǎn)缺陷，會在材料的能帶結(jié)構(gòu)中引入局域能級。這些局域能級成為載流子的陷阱，當(dāng)光生載流子（電子和空穴）在材料中運(yùn)動時(shí)，很容易被這些陷阱捕獲。一旦載流子被捕獲，它們就會在陷阱能級上停留較長時(shí)間，增加了電子-空穴對復(fù)合的概率，從而導(dǎo)致載流子壽命縮短。研究表明，當(dāng)MAPbI?鈣鈦礦中鉛空位濃度增加時(shí)，載流子壽命可從數(shù)百納秒縮短至幾十納秒。載流子壽命的縮短意味著在光電轉(zhuǎn)換過程中，光生載流子在未被有效收集之前就發(fā)生復(fù)合，減少了能夠參與電輸出的載流子數(shù)量，降低了光電轉(zhuǎn)換效率。在鈣鈦礦太陽能電池中，這會導(dǎo)致電池的短路電流和開路電壓降低，填充因子減小，最終影響電池的整體性能。除了點(diǎn)缺陷，晶界等面缺陷也會對載流子傳輸產(chǎn)生不利影響。在多晶鈣鈦礦薄膜中，晶界處原子排列不規(guī)則，存在大量的懸掛鍵和未配位原子，這些缺陷會導(dǎo)致載流子在晶界處的散射和復(fù)合增加。當(dāng)載流子傳輸?shù)骄Ы鐣r(shí)，由于晶界處的缺陷態(tài)，載流子會與缺陷相互作用，發(fā)生散射，改變運(yùn)動方向，甚至被捕獲在晶界處，無法順利傳輸?shù)诫姌O。這就增加了載流子的傳輸電阻，降低了載流子遷移率，阻礙了載流子的有效傳輸。研究發(fā)現(xiàn)，多晶鈣鈦礦薄膜中晶界密度越高，載流子遷移率越低，電導(dǎo)率也隨之降低。這種晶界對載流子傳輸?shù)淖璧K作用，同樣會降低鈣鈦礦材料的光電性能，在實(shí)際應(yīng)用中需要采取措施減少晶界缺陷，提高載流子傳輸效率。5.2.2光吸收與發(fā)射缺陷對鈣鈦礦材料光吸收和發(fā)射特性有著顯著影響，深入研究這些影響對于實(shí)現(xiàn)發(fā)光性能優(yōu)化具有重要意義。在光吸收方面，缺陷會改變鈣鈦礦材料的吸收光譜。以甲脒鉛碘（FAPbI?）鈣鈦礦為例，當(dāng)材料中存在碘空位（VI）時(shí)，碘空位會在能帶結(jié)構(gòu)中引入缺陷能級。這些缺陷能級使得光吸收過程變得更加復(fù)雜，除了本征吸收外，還會出現(xiàn)與缺陷能級相關(guān)的吸收。由于缺陷能級的存在，電子可以從價(jià)帶躍遷到缺陷能級，再從缺陷能級躍遷到導(dǎo)帶，或者從導(dǎo)帶躍遷到缺陷能級，再躍遷回價(jià)帶，這些躍遷過程對應(yīng)著不同能量的光子吸收，從而導(dǎo)致吸收光譜展寬。研究表明，含有碘空位的FAPbI?鈣鈦礦，其吸收光譜在某些波長范圍內(nèi)會出現(xiàn)額外的吸收峰，這是由于缺陷能級參與光吸收過程所致。這種吸收光譜的改變會影響鈣鈦礦材料對不同波長光的吸收能力，在太陽能電池應(yīng)用中，可能會降低材料對特定波長太陽光的吸收效率，影響電池的光電轉(zhuǎn)換效率。在光發(fā)射方面，缺陷對鈣鈦礦材料的發(fā)光性能有著復(fù)雜的影響，通過缺陷調(diào)控可實(shí)現(xiàn)發(fā)光性能優(yōu)化。在鈣鈦礦量子點(diǎn)中，適量的缺陷可以作為輻射復(fù)合中心，提高發(fā)光效率。以銫鉛鹵化物鈣鈦礦量子點(diǎn)（CsPbX?，X=Cl,Br,I）為例，當(dāng)量子點(diǎn)中存在適量的鉛空位（VPb）時(shí)，鉛空位可以在量子點(diǎn)的能帶結(jié)構(gòu)中引入局域能級。這些局域能級成為輻射復(fù)合中心，電子和空穴可以在這些能級上發(fā)生復(fù)合，發(fā)射出光子。研究發(fā)現(xiàn)，含有適量鉛空位的CsPbX?量子點(diǎn)，其發(fā)光強(qiáng)度比無缺陷的量子點(diǎn)提高了[X]%。這是因?yàn)殂U空位的存在增加了輻射復(fù)合的概率，使得更多的電子-空穴對能夠通過輻射復(fù)合發(fā)射出光子，從而提高了發(fā)光效率。然而，當(dāng)缺陷濃度過高時(shí)，會導(dǎo)致非輻射復(fù)合增加，發(fā)光效率反而下降。因此，在利用缺陷調(diào)控鈣鈦礦材料發(fā)光性能時(shí)，需要精確控制缺陷濃度，以實(shí)現(xiàn)最佳的發(fā)光效果。5.3缺陷對鈣鈦礦材料穩(wěn)定性的影響5.3.1環(huán)境穩(wěn)定性在潮濕和氧氣環(huán)境中，鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性與缺陷密切相關(guān)，缺陷作為水和氧的反應(yīng)活性位點(diǎn)，對材料的降解過程起著關(guān)鍵作用。以甲銨鉛碘（MAPbI?）鈣鈦礦為例，當(dāng)材料中存在碘空位（VI）時(shí)，在潮濕環(huán)境下，水分子容易吸附在碘空位處。水分子中的氫原子與碘空位周圍的原子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，進(jìn)而引發(fā)材料的分解。研究表明，在相對濕度為[X]%的環(huán)境中，含有碘空位的MAPbI?鈣鈦礦在[X]小時(shí)內(nèi)就會出現(xiàn)明顯的分解跡象，而無缺陷的鈣鈦礦則能保持相對穩(wěn)定。這是因?yàn)榈饪瘴黄茐牧蒜}鈦礦晶體的結(jié)構(gòu)完整性，使得水分子更容易侵入并與材料發(fā)生反應(yīng)，加速了材料的降解。在氧氣環(huán)境中，缺陷同樣會加速鈣鈦礦材料的降解。當(dāng)MAPbI?鈣鈦礦中存在鉛空位（VPb）時(shí)，氧氣分子可以與鉛空位周圍的原子發(fā)生反應(yīng)，形成氧化鉛等產(chǎn)物。這些氧化產(chǎn)物會改變鈣鈦礦的化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料的性能下降。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在有氧環(huán)境中，含有鉛空位的MAPbI?鈣鈦礦的光電轉(zhuǎn)換效率在[X]天內(nèi)下降了[X]%，而無缺陷的鈣鈦礦下降幅度較小。這表明缺陷作為氧氣的反應(yīng)活性位點(diǎn)，促進(jìn)了氧氣與鈣鈦礦的化學(xué)反應(yīng)，降低了材料在氧氣環(huán)境中的穩(wěn)定性。5.3.2長期穩(wěn)定性在長期使用過程中，鈣鈦礦材料中的缺陷會導(dǎo)致性能逐漸退化，深入研究其影響機(jī)制對于提高材料的使用壽命具有重要意義。以鈣鈦礦太陽能電池為例，在長時(shí)間的光照和電場作用下，材料中的缺陷會引發(fā)一系列問題，從而導(dǎo)致性能退化。在光照條件下，缺陷會作為非輻射復(fù)合中心，加速載流子的復(fù)合，降低光電轉(zhuǎn)換效率。在甲脒鉛碘（FAPbI?）鈣鈦礦太陽能電池中，碘空位（VI）和甲脒陽離子空位（VFA）等缺陷會在材料的能帶結(jié)構(gòu)中引入局域能級。這些局域能級成為載流子的陷阱，光生載流子（電子和空穴）在運(yùn)動過程中容易被這些陷阱捕獲，發(fā)生非輻射復(fù)合，導(dǎo)致載流子壽命縮短。研究表明，在連續(xù)光照[X]小時(shí)后，含有較多缺陷的FAPbI?鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率下降了[X]%，而缺陷較少的電池下降幅度僅為[X]%。這是因?yàn)槿毕莸拇嬖谠黾恿溯d流子復(fù)合的概率，使得參與光電轉(zhuǎn)換的載流子數(shù)量減少，從而降低了光電轉(zhuǎn)換效率。在電場作用下，缺陷會促進(jìn)離子遷移，導(dǎo)致材料的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化。在鈣鈦礦太陽能電池中，施加電場會使材料中的離子（如碘離子、甲銨離子等）在電場力的作用下發(fā)生遷移。而缺陷的存在會降低離子遷移的活化能，使得離子更容易遷移。在甲銨鉛碘鈣鈦礦中，鉛空位（VPb）和碘空位（VI）等缺陷會與離子相互作用，形成離子遷移的通道，加速離子的遷移。離子遷移會導(dǎo)致材料的化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而影響電池的性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在電場作用下，含有較多缺陷的甲銨鉛碘鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓和短路電流在[X]天內(nèi)分別下降了[X]%和[X]%，而缺陷較少的電池下降幅度較小。這表明缺陷在電場作用下促進(jìn)了離子遷移，導(dǎo)致鈣鈦礦太陽能電池的性能退化，影響了其長期穩(wěn)定性。5.4案例分析：缺陷調(diào)控提升CsPbI?鈣鈦礦電池性能5.4.1缺陷類型與能級確定在研究CsPbI?鈣鈦礦時(shí)，運(yùn)用深能級瞬態(tài)譜（DLTS）等先進(jìn)手段，能夠精確確定其中的主要缺陷類型和能級。DLTS技術(shù)通過測量熱激發(fā)載流子從陷阱能級躍遷到導(dǎo)帶或價(jià)帶過程中產(chǎn)生的電容瞬變，來獲取缺陷的相關(guān)信息。研究發(fā)現(xiàn)，CsPbI?中存在多種缺陷類型。點(diǎn)缺陷如鉛空位（VPb）、碘空位（VI）以及間隙鉛（Pbi）和間隙碘（Ii）等較為常見。鉛空位的形成可能是由于在材料制備過程中，鉛原子的缺失導(dǎo)致晶格中出現(xiàn)空位。碘空位則可能是因?yàn)榈庠拥膿]發(fā)或在晶體生長過程中碘原子未能占據(jù)正常晶格位置。間隙鉛和間隙碘的形成與原子半徑和晶體結(jié)構(gòu)的間隙大小有關(guān)，當(dāng)鉛原子或碘原子擠入晶格間隙時(shí)，就會形成相應(yīng)的間隙缺陷。通過DLTS測量，確定了這些缺陷的能級位置。鉛空位（VPb）的能級位于導(dǎo)帶底下方約[X]eV處，碘空位（VI）的能級位于價(jià)帶頂上方約[X]eV處。這些缺陷能級的存在對CsPbI?鈣鈦礦的電學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。由于鉛空位和碘空位引入的缺陷能級成為載流子的陷阱，當(dāng)光生載流子（電子和空穴）在材料中運(yùn)動時(shí)，容易被這些陷阱捕獲，從而增加了載流子復(fù)合的概率，降低了