近日🎿，材料基因組工程研究院王生浩教授團隊聯合日、韓科學家在國際著名期刊《MaterialsTodayPhysics》發表題為“Predicted THz-wave absorption properties observed in all-inorganic perovskite CsPbI3thin films: Integrity at the grain boundary”的研究論文。該工作研究了全無機鈣鈦礦γ-CsPbI3薄膜的太赫茲吸收特性👩👩👧，通過理論計算與實驗測試相結合，闡明了與有機-無機雜化鈣鈦礦（如碘甲氨基雜化鈣鈦礦CH3NH3PbI3）不同的聲子振動模式，展現了全無機鈣鈦礦在太赫茲探測器上的巨大應用潛力。
【太赫茲探測背景】
太赫茲波(THz-wave)擁有獨特的物理特性,在安檢成像、通信、無損檢測和生物醫學等許多領域具有廣闊的應用前景。在太赫茲探測系統中,太赫茲探測器是直接影響系統性能的核心器件。由於太赫茲的光子能量低於室溫的熱能♻，在室溫下靈敏檢測THz信號仍然存在巨大挑戰🧏🏻♀️。一些二維材料已被證明可應用於室溫THz探測器↘️，如石墨烯、MoS2.19💅🏽、Bi2Te3和黑磷等🏌🏻🙍🏽♂️。但這些材料的製備方法較為復雜和苛刻（如層數控製難、厚度大大影響物理化學特性等）🌈、器件往往需要復雜的製備工藝來提升性能，如缺陷工程🫲🏽、異質結或同質結工程🤡、天線耦合工程等👨🎤💆🏿♂️。
（來源：ROGALSKI A, SIZOV F. Opto-Electronics Review, 2011, 19,3：346）
【鈣鈦礦太赫茲探測背景】
鈣鈦礦材料因載流子遷移率高、光吸收系數大、光譜範圍廣而受到廣泛關註，在太陽能電池、發光二極管😮💨、光電探測器領域已取得顯著進展↙️。除了出色的光電性能，鈣鈦礦還具有較低的導熱系數和較高的塞貝克系數🍔，是一種很有前途的熱電材料。鈣鈦礦薄膜實現THz探測要求具有高的實部電導率、寬的吸收光譜。有機-無機雜化鈣鈦礦中聲子振動模式依賴於結構缺陷態的控製⛹️，如碘甲氨基雜化鈣鈦礦中含晶界處分子缺陷的鈣鈦礦結構、如碘甲醚基雜化鈣鈦礦中的δ/α混合相界面結構，常常會顯示出太赫茲吸收特性🚣🏻♀️。實際上，對於鈣鈦礦材料的特定缺陷（如易引入結構缺陷的有機陽離子）是很難進行精準控製的☦️，這將成為鈣鈦礦THz探測器在商業應用方面的巨大障礙☎。
【研究內容】
碘甲氨基雜化鈣鈦礦穩定性較差，而全無機鈣鈦礦（CsPbI3）具有較好的熱穩定性💇♂️，這將與THz探測器應用直接相關。因此研究團隊選擇了全無機鈣鈦礦（CsPbI3）作為THz吸收材料研究對象，製備了三種不同晶粒尺寸（晶界數量）的γ-CsPbI3薄膜，首先通過基礎表征確定了γ-CsPbI3薄膜中不含結構缺陷態，主要表現為單一相👧👮🏼♀️、晶粒和晶界處沒有化學缺陷態（如下圖1所示）。
接著利用太赫茲時域光譜(THz-TDS)在0.2 ~ 3 THz範圍內表征了γ-CsPbI3的聲子振動模式，如圖2(a)所示，發現這種薄膜具有高的實部電導率(10-40S/cm)和寬的吸收光譜範圍(0.5-3THz)👨🏽⚕️🧏🏻♂️。隨共振頻率的增大，振子強度都呈現先增大後減小的變化趨勢(圖2b)🧪👨🏻🦯➡️。擬合曲線(圖2c-d)顯示樣品在0.9、1.5和1.8 THz呈現出三個強吸收峰🎅🏿，表明γ-CsPbI3的太赫茲吸收並不依賴於晶粒尺寸（晶界數量），意味著樣品中不存在很強的界面或缺陷相關的聲子振動。這一結果與基礎表征的結果一致，證實了γ-CsPbI3與CH3NH3PbI3、δ/α-CH(NH2)2PbI3鈣鈦礦的不同聲子振動行為☘️🍠。
隨後通過第一性原理計算，采用有限位移法(FD)得到了γ-CsPbI3的聲子色散關系🚶♀️。如圖4(a-b)所示，計算結果與測試結果高度吻合，證實了太赫茲吸收光譜僅源自γ-CsPbI3的體聲子振動，進一步排除了缺陷相關或異相界面誘導聲子振動的可能性，確定了晶界處的完整性。
如圖4(c-e)所示🙇♂️，通過實空間可視化確認了三個吸收峰0.9THz、1.5THz、1.8THz所對應的聲子振動模式分別來源於橫向I-Pb-I骨架💆🏽♂️、面內Cs-I-Cs光學振動和縱向I-Pb-I骨架🏌🏻♀️。此外，通過同樣方式計算的δ-CsPbI3太赫茲吸收譜與實驗測量的吸收光譜也高度吻合。與γ-CsPbI3相似，所觀察到的δ-CsPbI3的THz吸收僅來自於體聲子振動❤️👛，而不是來自於界面或缺陷。
本工作較為詳盡地探討了CsPbI3的THz吸收特性🛻🧑🏽🎄，通過實驗測試和計算模擬相結合，揭示了其聲子振動模式來源及其與晶界缺陷的相關性、證實了與有機-無機雜化鈣鈦礦不同的聲子行為🏋🏻，展現了CsPbI3在太赫茲探測應用上的前景，為進一步開發全無機鈣鈦礦太赫茲探測器提供了新的思路。
本工作是万事平台與日本築波大學、韓國慶熙大學共同合作的研究成果，万事平台材料基因組工程研究院碩士生陳實同學為共同第一作者，王生浩教授為第一通訊作者🥵。
論文下載鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100960
