Nat. Commun: 材料亚晶格刚性差异化实现常压下可留存的高压光电特性和宽带光电探测器

稀、饭 1天前 79浏览

一、 【导读】  

  材料科学大多数情况下只能利用材料在普通大气压（1 atm）下的物理性质。因此，尽管高机械压力作为一项可以改变凝聚态物质物理状态的热力学手段，其无法避免泄压后材料会丧失大多数压力下所获得的优异物理特性（高温超导、带隙窄化、荧光强度增强、载流子寿命延长等）。迄今为止，利用高机械压力手段实现材料高压物态的永久封存只实现于纳米金刚石包裹体（nano-diamond capsule，NDC）技术中。然而，该技术需依赖高温对石墨的原位相转变而实现，且所包裹的材料只能为压缩性较高的气态物质；因此，对有机材料或分解温度较低的材料无法适用。同时，NDC手段所制备的包裹体为非纯净物，无法对材料实现接触式力学/电学/化学分析表征，因此极大限制了压力工程在物性研究和功能器件制备上的规模化应用。

 

二、【成果掠影】

 近日，北京高压科学研究中心刘罡和孔令平团队联合上海科技大学/四川大学研究人员在Nature Communications（《自然-通讯》）上发表研究论文。通过合理筛选并合成了一种之前报道的硫卤团簇化合物Rb6Re6S8I8，并进行高机械压力下的物性演化研究。该材料具有较硬且弹性的[Re6S8I6]4-团簇和较软且塑性的[Rb6I2]4+框架。两种子晶格在压力作用下可出现长程有序度的解耦现象（图2、图4），其中具有弹性的高模量[Re6S8I6]4-团簇在压力作用下短程有序性几乎不受影响，而代表材料长程有序的Rb-I(2)框架离子在压力到达15GPa后明显表现出晶格无序性，并在随后更高压力下达到非晶态。更为重要的是，在材料出现长程无序性后，其光电流出现骤升。其具体机理为激子在僵硬晶格中无法自子陷（子陷能下降），从而使得激子在光激发下直接转变为自由载流子，因而产生光电流。有意义的是，在压力退至常压后，材料依然可以留存此光电性能；并在溶解到极性溶剂并重结晶后，产物依然具有部分非晶性质。最终，可于压力下宏量合成的Rb6Re6S8I8材料在大压机和溶液制备工艺下得以制备具有优异性能的光电探测器。相关研究论文以“Retention of high-pressure solution-processable metastable phase to ambience via differential sublattice rigidity for broadband photodetectors”为题发表在《自然-通讯》上。本工作第一作者为高压科学研究中心和上海科技大学联合培养博士生栗中杨，共同第一作者为四川大学弓爵副教授。

 

 三、【核心创新点】

（1）核心创新点一：该研究工作实现了压力作用下的材料光-电切换。在接近10 GPa下，材料近乎不再具有光致发光特性，而在随后持续增大的压力下，材料表现出光电流的骤升，因而表明材料中的激子性质为此两种现象的物理根源。并为无法实现光电器件应用的低维磷光型物质或低维半导体材料开辟了技术路径。

（2）核心创新点二： Rb6Re6S8I8中的Rb-I(2)框架在10 GPa时即发生长程无序，然而纯RbI化合物则需要高达67 GPa才会发生晶格的长程无序性。此现象说明，具有刚度差异化的结构体系更容易产生微观层面上的局部超高压应力。其对映了具有内部微孔或裂纹的陶瓷材料在拉伸应力作用下更容易于缺陷处产生拉应力增强效应这一现象（图1）。

   

图1 具有结构内部微孔或裂纹的材料在拉伸应力下的应力倍增系数 © Materials Science and Engineering, 9th ed., W. D. Callister, D. G. Rethwisch

 四、【数据概览】

 

图2 高静水压作用下Rb6Re6S8I8中[Re6S8I6]4-团簇和[Rb6I2]4+框架的物态变化解析 © 2025 Nature publishing group

图3  不同压力下Rb6Re6S8I8的光学性质（光致发光、光学带隙）变化解析 © 2025 Nature publishing group

图4  不同峰值压力点泄压后的[Re6S8I6]4-团簇和[Rb6I2]4+框架结构无序度解析© 2025 Nature publishing group

图5  基于大压机和溶液法制备的材料宽谱光电探测器及其性能。因泄压后材料可以留存部分非晶的结构特性（压致光电效应特性），使得高性能的光电探测器得以制备。© 2025 Nature publishing group

 

 

五、【成果启示】

 该研究揭示了材料具有软-硬两性子晶格在高压物性/物相研究中的重要性。因此，包括异质结、同质结、二维层状结构、超晶格、特殊设计的结构缺陷在内的结构梯度特性应成为未来高压物性研究中的焦点，因材料中的不同畴域将会在压力作用下表现出热力学和动力学上的差异性，从而使得材料可以更容易实现亚稳态。与此同时，因为亚稳态的产生与转换与材料结构的旋节线极限相关，样品从高压态退行至常压的速率与时间也应成为重要考虑之一。

 

原文详情：Retention of high-pressure solution-processable metastable phase to ambience via differential sublattice rigidity for broadband photodetectors

DOI: 10.1038/s41467-025-57523-0

 

本文由材老牛供稿。

分享到