甲基銨鉛溴（CH3NH3PbBr3）作為一種明星鈣鈦礦材料，在太陽能電池、發(fā)光二極管和γ射線探測器中展現(xiàn)出巨大潛力。其優(yōu)異的光電性能源于可調(diào)的帶隙和高效的電荷傳輸特性，但材料內(nèi)部的微觀缺陷——如原子空位或雜質(zhì)——會顯著降低器件效率。這些缺陷如同“隱形陷阱”，阻礙電荷流動并引發(fā)能量損失。盡管缺陷控制至關(guān)重要，其化學(xué)本質(zhì)和濃度的精確檢測始終是科研難點。

矛盾結(jié)果背后的科學(xué)謎題

過去研究中，正電子湮沒壽命譜學(xué)（PALS）被用于探測材料缺陷。正電子作為電子的反物質(zhì)，在材料中“游蕩”時會被缺陷捕獲并湮滅，湮滅時間的長短直接反映缺陷的尺寸和電子密度。然而，不同團隊對同一材料的測量結(jié)果差異巨大：有研究稱晶體幾乎無缺陷，也有報告指出鉛空位濃度高達101? cm?3。這些矛盾源于樣品制備方法不同，以及傳統(tǒng)實驗對表面缺陷干擾的敏感性。

從生長到測量的雙重突破

本研究通過反溶劑氣相輔助法制備出毫米級立方單晶，大幅減少表面缺陷干擾。團隊首ci在真空和變溫條件下（295–350 K）進行PALS實驗，結(jié)合雙組分密度泛函理論（DFT）計算，揭示了鉛空位的微觀動態(tài)。（插入圖片：正電子在鉛空位處的密度分布模擬） 實驗發(fā)現(xiàn)兩個壽命分量：短壽命分量（217±8 ps）對應(yīng)受缺陷影響的“縮減體態(tài)”，長壽命分量（382±8 ps）直接指向鉛空位缺陷。溫度升高導(dǎo)致湮滅時間延長，印證了缺陷帶負電的特性。計算進一步表明，鉛空位的湮滅壽命隨局部化學(xué)環(huán)境變化（353–388 ps），而最穩(wěn)ding的空位構(gòu)型與實驗結(jié)果高度吻合。

為何鉛空位成為“關(guān)鍵先生”？

通過第yi性原理計算，團隊模擬了多種缺陷（如溴空位、甲基銨空位）的湮滅響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)鉛空位的形成能最di（0.54 eV），室溫平衡濃度達5.1×1012 cm?3，與實驗測量的缺陷密度（1.2×101? cm?3）趨勢一致。鉛空位周圍的溴八面體結(jié)構(gòu)形成“電子低密度區(qū)”，導(dǎo)致正電子局域化并延長湮滅時間。這一發(fā)現(xiàn)解釋了不同生長方法（如反溶劑法與逆溫結(jié)晶法）對缺陷類型的影響：劇烈結(jié)晶過程可能誘發(fā)更多小尺寸空位。

從實驗室到產(chǎn)業(yè)化的橋梁

該研究為鈣鈦礦材料的缺陷工程提供了直接指導(dǎo)。例如，可通過調(diào)節(jié)前驅(qū)體比例或優(yōu)化結(jié)晶條件抑制鉛空位生成。此外，正電子湮沒技術(shù)的高靈敏度使其成為材料質(zhì)量監(jiān)控的有力工具，尤其在薄膜器件和輻射探測器開發(fā)中潛力顯著。

這項突破不僅解決了長期爭議的缺陷識別難題，更為下一代高性能光電器件的設(shè)計與優(yōu)化提供了微觀尺度上的“導(dǎo)航圖”。

實現(xiàn)精準(zhǔn)缺陷檢測的國產(chǎn)利器

安徽核芯電子科技有限公司的DPLS-4000數(shù)字化正電子湮沒壽命譜儀，時間分辨率≤190 ps，可精準(zhǔn)識別材料中空位型缺陷（如本研究中的鉛空位）。其一體化設(shè)計支持快速測量，搭配自動校準(zhǔn)功能，適用于單晶、薄膜及納米材料分析。可根據(jù)用戶需求定制變溫、真空、光照等原位測量環(huán)境。

SCHMIDT J A, TINTE S, DALOSTO S, 等, 2025. Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy of Single Crystalline CH3NH3PbBr3?: Experiments and Ab Initio Calculations[J/OL]. The Journal of Physical Chemistry C, 129(15): 7207-7216.