目錄

1. 電子自旋動力學(xué)理論研究領(lǐng)域

2. 硒硫化銻和硫化銻薄膜能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控及缺陷鈍化研究領(lǐng)域

3. 非鉛金屬鹵化物發(fā)光材料及信息加密研究領(lǐng)域
   

電子自旋動力學(xué)理論研究領(lǐng)域

近日，物理學(xué)院徐俊卿教授獨立完成的電子自旋動力學(xué)研究取得原創(chuàng)性理論突破。相關(guān)成果以“基于多體第一性原理方法預(yù)測固體中擴散長度與壽命：耦合動力學(xué)的作用”（Predicting and understanding diffusion lengths and lifetimes in solids via a many-body ab initio method: The role of coupled dynamics）為題，發(fā)表于物理學(xué)頂刊《Physical Review Letters》[135, 046705 (2025)]。

電子自旋等物理量的擴散長度和壽命是決定信息傳輸效率和器件性能的關(guān)鍵參數(shù)，對開發(fā)下一代低功耗電子器件具有重要意義。第一性原理模擬是理解相關(guān)物理機制和搜尋高性能材料的重要手段，但現(xiàn)有方法存在諸多局限：一是缺少對電子-聲子耦合的量子處理，制約了理論預(yù)測的準(zhǔn)確性；二是無法系統(tǒng)地推導(dǎo)自旋擴散長度和壽命的近似公式，不利于對物理機制的理解；三是對復(fù)雜衰變過程的解析能力有限。為了解決上述問題，在之前工作的基礎(chǔ)上，研究人員基于線性化量子主方程方法，提出了一個模擬擴散長度和壽命的新第一性原理計算方法。該方法被應(yīng)用于傳統(tǒng)半導(dǎo)體和金屬、二維材料和反鐵磁材料，揭示了它們的自旋擴散和弛豫機制。

本工作取得的主要進展包括：一是預(yù)測精度提升：實現(xiàn)了對電子散射過程（如電子-聲子）的量子處理，顯著提高了方法的預(yù)測能力和適用范圍；二是理論框架創(chuàng)新，建立了統(tǒng)一的理論框架，可系統(tǒng)推導(dǎo)不同層次的慢衰減過程擴散長度和壽命的近似公式，包括傳統(tǒng)的Dyakonov-Perel和漂移-擴散關(guān)系式，以及考慮了多自由度耦合動力學(xué)的新關(guān)系式，新方法為理解擴散和弛豫機制提供了一個透明而準(zhǔn)確的理論工具；三是物理機制的深入理解，在石墨烯-氮化硼體系中，揭示了多自由度耦合對自旋動力學(xué)的關(guān)鍵影響。

圖1 石墨烯-氮化硼自旋弛豫和擴散長度的磁場效應(yīng)。（a）自旋壽命的磁場效應(yīng)。（b）-（d）不同方向自旋擴散長度的磁場效應(yīng)。（e）-（g）不同邊界條件和磁場下的自旋空間演化。“Full”表示求解完整本征值方程得到的結(jié)果。“DD”表示傳統(tǒng)漂移-擴散關(guān)系式。“ss-DD”表示考慮了不同自旋自由度之間耦合的漂移-擴散關(guān)系式。由圖可見，由于考慮了耦合動力學(xué)，“ss-DD”近似式精確描述了石墨烯-氮化硼的自旋擴散。

物理學(xué)院徐俊卿教授是論文的唯一作者。合肥工業(yè)大學(xué)是論文的唯一署名單位。該研究受到國家自然科學(xué)基金、中央高校基本業(yè)務(wù)費、合肥工業(yè)大學(xué)人才引進條件建設(shè)經(jīng)費等資助。

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硒硫化銻和硫化銻薄膜能帶

結(jié)構(gòu)調(diào)控及缺陷鈍化研究領(lǐng)域

近日，微電子學(xué)院提出了硒硫化銻和硫化銻薄膜能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控及缺陷鈍化的新策略，分別構(gòu)筑了高質(zhì)量的硒硫化銻和硫化銻半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)及高效光電轉(zhuǎn)換器件。相關(guān)研究成果以“Aqueous Selenium Ion Engineering: A Universal Strategy to Reverse Gradient Limitations in Sb2(S,Se)3 Photovoltaics for Enhanced Carrier Dynamics and Performance”和“Full-Dimensional Penetration Strategy with Degradable PEAl Enables 8.21% Efficiency in Bulk Heterojunction Sb2S3 Solar Cells”為題，分別發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》和《Advanced Energy Materials》上。

圖1 Sb2(S,Se)3半導(dǎo)體薄膜缺陷鈍化、調(diào)控機制和器件效率

溶液法制備的Sb2(S,Se)3薄膜普遍面臨能帶結(jié)構(gòu)失調(diào)與缺陷濃度較高問題，阻礙了光生載流子的有效傳輸與分離。傳統(tǒng)的后硒化方法，特別是高溫硒蒸氣處理（>400°C），在同時調(diào)控硒化動力學(xué)和缺陷鈍化方面存在固有的局限性，往往導(dǎo)致硒元素?fù)饺氩痪鶆?，且容易通過界面空隙的形成損害薄膜的完整性。為了克服這些根本性限制，團隊開發(fā)了一種新穎的離子工程范式——水相硒離子處理（ASIT）策略，該策略通過室溫離子擴散協(xié)同調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)和缺陷態(tài)分布，且不損傷Sb2(S,Se)3半導(dǎo)體薄膜的結(jié)構(gòu)完整性。離子擴散調(diào)控的Sb2(S,Se)3光電子器件實現(xiàn)了10.38%的光電轉(zhuǎn)換效率，并具備0.694V的高開路電壓（Voc），這是目前效率超過10.0%的Sb2(S,Se)3光伏器件中所報道的最高Voc值。本工作構(gòu)建了一種通用的低溫離子工程范式，為金屬硫族化物光電子器件效率提升和機理認(rèn)識開辟了新途徑。

圖2 PEAI鈍化Sb2S3晶體缺陷、能帶偏轉(zhuǎn)和器件效率

微電子學(xué)院陳俊偉副教授、許俊教授，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院陳沖研究員，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳濤教授為論文共同通訊作者。上述研究工作得到了合肥工業(yè)大學(xué)分析測試中心電鏡平臺的支持，以及國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、微電子學(xué)院特別資助等項目的資助。

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非鉛金屬鹵化物發(fā)光材料

及信息加密研究領(lǐng)域

近日，材料科學(xué)與工程學(xué)院蔣陽教授、童國慶教授團隊與微電子學(xué)院許俊教授課題組合作，在非鉛金屬鹵化物發(fā)光材料及信息加密研究領(lǐng)域取得新進展，相關(guān)研究成果以“Structural Transformation-Engineered Yttrium-Based Lead-Free Metal Halides with Smart Tunable Luminescence via Self-Trapped Exciton and Lanthanide Ion Intrinsic Combined Emissions”為題，發(fā)表在材料領(lǐng)域期刊Advanced Functional Materials上。文章第一作者為材料學(xué)院博士生李俊春，通訊作者為童國慶教授、許俊教授和蔣陽教授。

非鉛金屬鹵化物因其具有優(yōu)異的光學(xué)性能、卓越的穩(wěn)定性以及綠色環(huán)保等特性，近年來受到廣泛關(guān)注。此外，非鉛金屬鹵化物還可以通過結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變實現(xiàn)光譜可調(diào)，進一步拓展其在半導(dǎo)體顯示照明及智能材料等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，目前關(guān)于結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變調(diào)控發(fā)光的非鉛金屬鹵化物材料的研究，主要聚焦于單一發(fā)光峰的調(diào)節(jié)，限制了其在更廣領(lǐng)域的應(yīng)用。為此，蔣陽教授、童國慶教授團隊與許俊教授課題組合作，創(chuàng)新性引入了“CsCl插入/剝離”過程調(diào)控策略，在Sb/Ln（Ln=Ce、Ho和Tb）共摻雜的零維Cs-Y-Cl金屬鹵化物體系中，實現(xiàn)了多發(fā)光中心協(xié)同作用下的智能可控發(fā)光。

研究表明，該體系的發(fā)光行為主要來源于兩類機制的協(xié)同發(fā)射：一是銻離子（Sb）誘導(dǎo)的自陷激子（STE）發(fā)射，二是鑭系元素（Ln）本征能級躍遷產(chǎn)生的特征發(fā)射。通過對“CsCl插入/剝離”過程的精準(zhǔn)調(diào)控，可以實現(xiàn)Cs3YCl6: Sb/Ln與Cs4YCl7: Sb/Ln之間的可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。這一結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變顯著影響了Sb相關(guān)的STE發(fā)射波段，使其在綠色（~538nm）與黃色（~588nm）之間可控切換，而Ln系離子的本征發(fā)射則不受結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的影響。因此，基于Cs-Y-Cl: Sb/Ln體系的組合發(fā)光呈現(xiàn)出復(fù)雜多變的特點。此外，由結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)的晶格自凈化過程有效調(diào)節(jié)了Cs3YCl6體系中的Sb/Ln摩爾比，從而進一步影響Cs-Y-Cl金屬鹵化物的發(fā)光光譜峰形。在此基礎(chǔ)上，研究團隊成功利用摻雜后的Cs-Y-Cl金屬鹵化物作為發(fā)光材料，構(gòu)建了多種具有防偽與信息加密功能的圖案，展現(xiàn)出優(yōu)異的可讀性與高度的保密性能。

圖1 Sb/Ce雙摻雜后Cs-Y-Cl金屬鹵化物發(fā)光材料在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中的晶體結(jié)構(gòu)變化和顏色調(diào)節(jié)規(guī)律

圖2 基于摻雜的Cs-Y-Cl金屬鹵化物發(fā)光材料在防偽、信息保護圖案和熒光復(fù)合薄膜中的應(yīng)用

上述研究得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省重點研究與開發(fā)計劃、安徽省自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費以及黃山學(xué)者優(yōu)秀青年人才計劃等項目支持。

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來源 | 物理學(xué)院 微電子學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院

編輯 | 徐海龍

責(zé)編 | 衛(wèi)婷婷 唐君煜

投稿郵箱 | hfutxcb404@163.com

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