入選光焱科技2023年獎學金學生廖淳皓與澳洲雪梨大學 Anita W. Y. Ho-Baillie 、臺灣大學 Chu-Chen Chueh 等人研究第一個無機陽離子偽鹵化物二維 Cs2Pb(SCN)2Br2 鈣鈦礦單晶並被報導於Advanced Materials (IF 30.849).

本文亮點:

• 此研究成果展示第一個無機類鹵素二維鈣鈦礦單晶CsPb(SCN)Br
• 於450 K下首次觀測到CsPb(SCN)Br二維晶體 (Pmmn #59) 與三维CsPbBr晶體 (Pm3m #221) 之間的可逆一級相變
• 光電性質方面，變溫光致發光光譜分析測得CsPb(SCN)Br單晶之激子束縛能為160 meV，此為二維鹵化鉛鈣鈦礦所報導之最低實驗值
• CsPb(SCN)Br單晶製作為405 nm光電感測器，元件的響應度和探測率分別為46 mA/W與1.2 x 1010 Jones

研究動機:

近年來，各式基於A位取代的Ruddlesden-Popper (RP) 結構二維層狀鈣鈦礦已被大量合成，其二維層狀鈣鈦礦大多數由長絕緣有機離子與無機層相間堆疊組成，然而僅有少量研究關於X位取代之RP型鈣鈦礦，有鑑於此，澳洲雪梨大學Prof. Anita Ho-Baillie組與台灣大學Prof. Chueh組合作發表無機類鹵素二維鈣鈦礦單晶研究成果。

研究成果:

變溫光致發光光譜分析測得Cs2Pb(SCN)2Br2單晶之激子束縛能為160 meV，此為二維鹵化鉛鈣鈦礦報導中最低實驗值，並與準二維鈣鈦礦相當。此低激子束縛能與先前觀察到的二維與三維晶體轉與鈣鈦礦無機層間之小層間距 (1.69 Å) 息息相關，為此類二維材料的主要特別之處。最終，從光電子能譜分析與激子束縛能值得出其直接能隙為2.50 eV。鑑於此特殊光電性質，作者進一步將Cs2Pb(SCN)2Br2單晶製作為405 nm光電感測器，元件的響應度和探測率分別為8.46 mA/W與1.2 x 1010 Jones，響應和衰減時間分別為2.6與2.3 ms。

在此研究中，研究團隊報告了第一個無機陽離子偽鹵化物二維相鈣鈦礦單晶 Cs2Pb(SCN)2Br2。透過反溶劑蒸汽輔助結晶 (AVC) 方法合成，Cs2Pb(SCN)2Br2 於 Pmmn (#59) 空間群中，展現出標準的單層 (n = 1) Ruddlesden-Popper 結構，且在鈣鈦礦片之間的分離度小 (d = 1.69 Å)。使用光焱科技 PD-RS 光傳感器頻率響應特性分析儀檢測，在 405 nm (2.72 W/cm2) 雷射光下，雷射光的上升時間和衰減時間均小於 5 ns。並由數據採集裝置以 50 μs 的時間分辨率放大採集偏壓下的光生電流。

研究團隊發現 SCN–陰離子將 2D Pb(SCN)2Br2 骨架略微彎曲成風箏形八面體，同時限制了準 2D 鈣鈦礦結構的形成 (n > 1)。令人驚訝的是，這種 2D 單晶在 450 K 下展現出 3D CsPbBr3 (Pm3m #221) 的可逆一級相變。透過光致發光 (PL) 儀器檢測，Cs2Pb(SCN)2Br2 單晶表現出 160 meV 的激子束縛能，是 2D 鈣鈦礦 (n = 1) 報告的最低值之一，相當於準 2D RP 相鈣鈦礦的束縛能。研究結果證明，在 0.5 V 的低偏置電壓下，Cs2Pb(SCN)2Br2 單晶的光電探測器具有 8.46 mA W-1 的響應度和 ~1.2 x 1010 Jones 的探測率。