皮秒量子瞬态：钙钛矿纳米畴超晶格中的本征量子限域效应

《Nature Nanotechnology》：Picosecond quantum transients in halide perovskite nanodomain superlattices

本研究针对卤化物钙钛矿中量子限域效应的结构起源难题，通过多模态表征策略揭示了FAPbI3薄膜中纳米孪晶超晶格诱导的皮秒级量子隧穿过程。研究人员结合超快光谱与相关显微技术，发现有序排列的角共享/面共享八面体层可形成克罗尼格-彭尼型量子势阱，实现线宽<2 nm的孤立量子发射。该工作为低成本制备超快量子光源提供了新范式。

　　

在量子技术蓬勃发展的今天，能够产生相干光子且具备超快动力学特性的理想量子光源成为研究热点。卤化物钙钛矿因其优异的光电性能，已在太阳能电池、发光二极管等领域大放异彩，近年来更在量子发射应用中展现出潜力。然而，实现超快辐射速率通常需要依赖分子束外延等昂贵的III-V族材料生长技术，这严重限制了其大规模应用。更关键的是，尽管在低温块体甲脒铅碘（FAPbI₃）薄膜中观察到了带隙以上的离散光学跃迁特征，但其物理起源和动态演化机制一直笼罩在迷雾中——是铁弹性纳米畴、铁电相变，还是δ相夹杂？缺乏直接的结构证据使得这一量子限域现象难以被精准调控。

近日，发表于《Nature Nanotechnology》的一项研究突破了这一瓶颈。研究团队通过创新性的多模态研究策略，在溶液法或气相法制备的块体FAPbI₃薄膜中发现了低温下约2皮秒的超快量子瞬态过程。这些瞬态过程源于纳米畴超晶格中的量子隧穿效应，其光致发光与光吸收结果高度匹配，低温下线宽可小于2纳米（约4 meV）。研究首次将孤立量子发射点与{111}_c型纳米孪晶超晶格结构直接关联，揭示出这种超晶格由角共享和面共享八面体交替堆叠而成，本质上构成了天然的克罗尼格-彭尼型量子势垒系统。这一发现不仅为利用钙钛矿本征量子特性开辟了新途径，更展示了一种强大的多模态研究范式用于量子材料探索。

研究主要关键技术包括：超快瞬态吸收光谱（分析皮秒量级量子动力学）、低温高光谱光致发光显微成像（定位孤立量子发射点）、扫描电子衍射（纳米尺度结构解析）以及空间关联分析技术（关联光学发射与晶体结构）。所有薄膜样本均通过热共蒸发或溶液法在石英基底上制备。

皮秒量子瞬态

通过温度依赖的瞬态吸收光谱，研究团队在5K低温下观察到明显的振荡条纹，证明存在高于带隙的量子化能级。

实验表明，这些量子态的衰减在初始2皮秒内完成，且与激发密度无关，证实其为本征过程。通过调节激发波长，发现仅能观测到比激发波长更长的特征峰，说明各能级源于材料内不同的限域区域而非同一势阱的量子数 progression。

量子瞬态的孤立发射

低温高光谱成像显示，量子发射以孤立点状形式分布于薄膜中，各发射点具有1-5纳米的超窄半高宽。

发射峰与吸收峰精确对应且无斯托克斯位移，表明载流子重组发生在离散能级间，进一步支持量子限域模型。温度升高至100K时，发射强度减弱但空间位置和线宽不变，说明量子特征独立于体相性质。

纳米孪晶域的普遍存在

扫描电子衍射揭示了薄膜中普遍存在的{111}_c型纳米孪晶结构。

虚拟暗场图像显示交替的反相关衬度条纹，证实了角共享（α相）与面共享（δ相）八面体层的交替排列。衍射图案中的漫散射表明孪晶排列多为非周期性，但某些区域呈现高度有序性。

局域发射与纳米孪晶超晶格的关联

通过空间关联分析，研究发现发光强烈的孤立发射点与接近<111>_c晶带轴的晶粒相关。

有序的纳米孪晶阵列可视为高阶六方多型体（如12H），其中α相和δ相分别作为量子阱和势垒。基于克罗尼格-彭尼模型计算，当阱宽与垒宽按八面体层数（层间距0.37纳米）取整时，计算得到的首个受限能级波长（如707纳米）与实验观测（706纳米）高度吻合。

结论与展望

本研究通过多模态手段证实，FAPbI₃中普遍存在的纳米孪晶结构可自发形成天然量子超晶格，其皮秒级量子瞬态源于受限载流子的量子隧穿过程。这一发现将克罗尼格-彭尼模型与温策-克拉默斯-布里渊近似等基础量子概念融入低成本钙钛矿体系，突破了传统外延生长技术的限制。研究提出的关联分析方法为探索复杂材料体系的结构-物性关系建立了新范式。未来通过可控生长有序孪晶阵列，有望实现固定波长的超快量子发射源，为量子通信、计算和传感应用开辟更广阔的道路。