本站讯 近日，山东大学空间科学与技术学院空间科学攀登团队行星科学课题组在有机-无机杂化钙钛矿材料的光致形变研究方面取得系列进展。相关研究成果分别以研究论文的形式发表在国际学术期刊Advanced Functional Materials（中科院一区TOP，影响因子18.5）和J. Phys. Chem. C上，且两篇论文均被遴选为封面亮点文章（Cover）；另获国家发明专利授权1项，获各级奖励多项。
图1. Advanced Functional Materials和J. Phys. Chem. C的封面照片
图2. MAPbBr3单晶的（a）吸收光谱和Tauc 图，（b）CCD 拍摄的数字全息图，（c）全息图的傅里叶变换图，（d）相位差分图，（e）相对光致形变分布的三维全局测量图，（f）载流子扩散和光致应变局域化的示意图
进展一：近年来，有机-无机杂化钙钛矿材料以其优异的光电性能被广泛应用于光电器件领域。作为光电材料，钙钛矿在实际应用中会不可避免地受到外部光线的影响，导致其物理性能发生变化。有研究发现钙钛矿材料中出现了光致形变现象，即其体积和形状在光照射下发生变化。光致形变将从根本上影响物钙钛矿材料的光电性能和稳定性等，且在无线光机械领域有较强的应用前景。当前已经存在多种技术可对半导体材料的光致形变效应进行表征与分析，但是存在较多问题。同时该现象容易被忽视，目前研究不深入。因此研究团队成功制备了高质量的 MAPbBr3钙钛矿单晶，借助变功率 XRD技术，证实X射线辐照可诱发钙钛矿材料的光致形变，这一发现表明在利用 XRD技术解析钙钛矿的晶体结构时，必须要对解析结果进行合理的判断与再分析。针对XRD、拉曼光谱法等常用光致形变测试技术的不足之处，研究团队开发了一套离轴数字全息技术，首次在微观尺度上直接、立体、精确的测量、绘制了MAPbBr3钙钛矿单晶的光致形变，克服了传统二维局部测量光致形变的局限性。通过此种方式，研究团队测得 MAPbBr3单晶的平均最大相对光致形变高达 1.27×10-3。通过变功率拉曼光谱、变功率光致发光光谱以及DFT计算等多种方法，研究团队构建了一个严密的理论框架，从光生载流子对电子结构、成键作用的影响入手，合理的解释了有机-无机杂化钙钛矿材料的光致晶格膨胀现象，为这一领域的研究提供了崭新的视角。
本研究由山东大学、上海科技大学、苏州大学、中科院上海光学精密机械研究所和多伦多大学合作完成，以“3D Digital Holography Investigations of Giant Photostriction Effect in MAPbBr3 Perovskite Single Crystals”为题发表在材料领域顶级期刊Advanced Functional Materials, 第一作者为博士生刘董，通讯作者为吕英波教授和武中臣教授，山东大学为第一完成单位和通讯单位。本研究的部分工作还获得了南开大学现代光学研究所王晓雷研究员的大力支持。
图3. MAPbBr1Cl2的晶格结构图和研究团队制备的晶体实物图
进展二：团队研究了不同组分对杂化钙钛矿材料光致形变效应的影响，并对其局域光致形变现象提出了解释。研究发现当MAPbBr1Cl2 被照射时，光生载流子从X（X=Cl，Br）离子跃迁到Pb 离子上，导致X 离子电子密度和与胺基之间的作用力降低。这种作用增大了晶格中的Pb−X−Pb 键角，减弱了晶格扭曲并扩展了晶格，从而解释了观察到的光致形变现象。这种几何和电子特性的变化也通过不同功率下的PL 光谱、拉曼光谱和DFT计算的电子结构变化得到验证。此外本研究还设计了两组实验排除了热效应对材料光致形变量测量的影响。
该研究以“Investigations on the Strong Light-Changed Photoluminescence Performance and the Crystalline Structure of MAPbBr1Cl2 Mixed Halide Perovskites”为题发表于J. Phys. Chem. C期刊, 本科生吴佳霖和博士生刘董为本论文共同第一作者，吕英波教授和武中臣教授为通讯作者，山东大学为唯一通讯单位。
图4. 基于光干涉原理的材料光致形变系数测量系统实物图和发明专利授权书
进展三：研究团队提出了一种基于光干涉原理和全息技术的材料光致形变系数测量方法，设计了一套新的测量系统，将材料光致形变效应所产生的绝对伸缩量转化为干涉图像的变化，实现微小光致形变量的可视化展示与测量。同时实现了干涉图像的数字化处理。本实验方案和装置可适用于其它固体材料光致形变的快速精密测量场景，也可在其它与材料光致形变效应原理相类似的物理量（热膨胀系数、压电系数等）的测量表征中得到广泛应用。本科生宋怡娴和吴佳霖参与了该系列的重要工作。该项专利已获国家发明专利授权，山东大学为专利权所有人。
图5. 本系列研究项目所获得部分奖励证书
进展四：团队关于杂化钙钛矿材料光致形变效应的研究工作由空间科学与技术学院的本科生和博士研究生联合完成。空间科学与技术学院高度重视本科生的创新能力培养，积极探索本硕博一体培养模式，推动科研立项活动和本科生导师制，建立了科教融合、相互促进的协同培养机制，为本科生参与科研创造条件，以高水平科学研究支撑高质量本科人才培养。同时依托各类实践平台和实训基地，搭建学生科学实践和创新创业平台，组织学生参与各类科技创新竞赛项目，如挑战杯、物理科技创新大赛等，以赛促学，全面提升学生的个人素质，在创新人才培养方面不断取得突破。截至目前，本研究项目已累计支持本科生发表SCI收录论文12篇，获包括挑战杯在内的学科类竞赛国家级奖项8项，另有省级奖励10项。
上述工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、钙钛矿山东省高等学校未来产业工程研究中心、山东大学空间科学与技术学院空间探测技术与先进材料、空天光谱信息与智能应用工作室等项目与平台的支持。
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