【仪表网 研发快讯】近日，郑州大学物理学院金刚石材料与器件团队在自陷态激子发光调控方面取得重要进展。研究团队巧妙设计系列原位高压实验，提出引入偏应力的思想实现了自陷态激子发光与转变，对于深入理解自陷态激子动力学机制提供了新思路。
自陷态激子(STE)发光源于晶格声子和激子的相互作用导致的激子局域化，由于其宽光谱发射、长载流子寿命和自吸收等特性，在发光二极管、光电探测以及太阳能电池等领域具有重要的应用前景，近年来得到了广泛关注。然而，在半导体材料中实现STE发光和STE之间的转变仍存在挑战，且内在转变机制不清晰。研究团队长期从事宽禁带半导体材料与器件研究，在前期的研究工作中，开发大腔体高压新技术率先创制了大尺寸导电金刚石半导体材料(Proc. Natl. Acad. Sci., 2024, 121, e2316580121)；首次提出并证实了氧化锌纳米晶单重态/三重态混合自陷态激子(STE-1)发光新机制(Nat. Commun., 2023, 14, 1310)。考虑到高压技术对材料晶体/电子结构的有效调控，引入高压维度有望为调控氧化锌晶格畸变实现其STE发光和转变提供可行途径。
针对以上难题，研究人员利用不同形貌的氧化锌样品和不同传压介质引入高压偏应力，通过调控其偏应变演化触发了新的自陷态激子(STE-2)发射。结合有限元模拟和第一性原理计算，揭示了高压下金字塔形氧化锌晶粒相互挤压产生偏应力，导致晶粒塑性变形。该塑性变形引起的带隙变化产生局部势阱从而束缚激子产生STE-2态。原位应力应变监测显示大规模偏应变发生在5.5 GPa，此时高压稳态和瞬态光学实验结果表明STE-1态荧光强度和寿命减小、STE-2态发光强度则迅速增加，激发态寿命的变化说明STE-2态布居数增加，从激发态载流子驰豫的中间态演变为终态。研究结果证实高压偏应力驱动下氧化锌晶粒大规模塑性偏应变发生，这一演化过程增加了局部势阱深度和数量，促进了STE-1态向STE-2态转变，实现其从黄绿色到深蓝色的发光变化。该研究为调控自陷态激子发光提供了一种有效手段，为深入理解压力下自陷态激子发射机制提供新见解。
研究成果以“Deviatoric Stress-Induced Transition of Self-Trapped Exciton Emissions”为题发表在国际权威期刊《Nature Communications》上。郑州大学物理学院为独立通讯单位，访问博士生吕超凡为论文第一作者，郑州大学杨西贵教授，刘凯凯教授和单崇新教授为共同通讯作者。
该工作得到了国家自然科学基金优秀青年基金和面上项目等资助。
高压偏应力解锁自陷态激子发光转变示意图
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