6163银河线路检测中心现代光学研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室极端光学创新研究团队王树峰副教授和龚旗煌院士等在钙钛矿表面缺陷动力学研究中取得重要进展。他们利用飞秒时间分辨光电子显微镜，实现了对单晶钙钛矿CsPbBr₃体相浅能级缺陷态和表面深能级缺陷态的时空分辨动力学观测。

金属卤化物钙钛矿具有众多优良的光电特性，近年来被广泛应用于太阳能电池、纳米激光器、光电探测器等光电器件的研究。虽然钙钛矿光伏器件的光电转换效率已经达到25.5%，但是与理论极限仍然存在差距。众多研究表明，缺陷态控制是提高钙钛矿光电器件性能的重要方法，对钙钛矿材料中缺陷态的研究有利于器件的进一步优化与设计。

图1 时间分辨光电子显微系统示意图

实验上，研究团队利用研制的飞秒时间分辨光电子显微系统（fs-PEEM），对无机钙钛矿CsPbBr₃晶片进行时空特性研究（图1）。光电子成像系统可以探测超快时间，超小空间和能量分辨三个维度的信息。根据缺陷态对光电子波长的选择性，可明确识别出晶片内部局域的结构缺陷，以及晶体表面均匀分布的浅层缺陷（图2(a,b)）；能量谱显示了体内结构缺陷属于浅能级缺陷，而广泛存在于表面的则属于深能级缺陷（图2(c,d)）；时间分辨表面光电子动力学的结果则表明钙钛矿表面动力学由表面的特性控制；而内部结构缺陷对动力学则几乎没有影响，即钙钛矿对结构的缺陷具有高容忍性（图2(e,f)）。

时间分辨能量谱（图3）则进一步揭示了处于高激发态的电子以皮秒尺度转移至表面缺陷态并被束缚，缺陷态的动力学占据了表面电子弛豫的主要部分，导带自由电子的衰减在表面只占有很小的比例。这种动力学特性是钙钛矿表面动力学的主要特征，均匀地分布在整个钙钛矿表面。这表明了制约钙钛矿性能的主要因素是材料表面的深能级缺陷，表面缺陷钝化对钙钛矿材料器件的性能提升具有重要意义。

图2 CsPbBr₃单晶光电子成像空间分辨、能谱分辨与时间分辨结果。(a,b)晶片在400nm和266nm激发下展现出体内和表面的缺陷态分布；(c,d)光电子能谱揭示了体内缺陷为浅能级缺陷而表面则为深能级缺陷；(e,f)三个特征区域的时间分辨光电子动态衰减，并聚焦了初始时刻~2-3ps的光电子强度增加。

图3 CsPbBr₃表面光电子能谱动力学分析。（a）四个随时间演化的特征光电子能谱结构；（b）各个结构的强度随时间的演化。

2021年3月24日，相关研究成果以“Mapping Trap Dynamics in a CsPbBr₃ Single-Crystal Microplate by Ultrafast Photoemission Electron Microscopy”为题，在线发表于《纳米快报》（Nano Letters）；第一作者是6163银河线路检测中心2016级博士研究生刘伟；主要合作者有6163银河线路检测中心戴伦教授、吕国伟研究员等。

上述工作得到国家自然科学基金重大科研仪器设备研制项目及国家重点研发计划等支持。

论文原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00014