“压力魔法” 解锁新光电材料：从高压态到常压下的光探测奇迹

研究背景

高压能改变凝聚态物质的物理状态，使其展现出新奇特性，但这些特性在减压后大多消失，难以在常压下应用。目前克服该难题的两种策略都存在局限性：纳米结构金刚石胶囊（NDCs）仅能封装气态和挥发性样品，且目标材料被隔离，不利于分析和大规模应用；工程化相转变动力学势垒获得的常压亚稳材料，至今尚无器件应用报道。通过调节亚晶格间耦合，使材料在高压下获得的特性在减压后不可逆地冻结，为解决该问题提供了新方向。

研究成果

材料科学仅利用在常压环境下可获得的材料特性。因此，尽管高压会改变所有凝聚态物质的物理状态，但大多数在高压下发现的特殊性质在减压后会消失，无法被利用。在此，上海高压科学与技术先进研究中心Liu Gang & Kong Lingping教授等人展示了混合阴离子硫卤化物Rb₆Re₆S₈I₈在受压时的亚晶格解耦现象，其中 [Rb₆I₂]⁴⁺框架柔软且具可塑性，而[Re₆S₈I₆]^4-簇坚硬且有弹性。这种刚度差异使得施加的压力能够选择性地使框架非晶化，同时保持簇内的有序状态，从而在压缩时产生有趣的光电流，并增强光电流。这些高压下的特性在常压环境中得以保留，这使得我们可以使用大体积压机对减压后的样品进行可扩展合成，随后进一步将其制造成响应时间约为102 us、比探测率达10¹¹Jones的自供电宽带光电探测器。这项研究颠覆了压力工程难以应用于器件制造的传统观念。相关研究以“Retention of high-pressure solutionprocessable metastable phase to ambience via differential sublattice rigidity for broadband photodetectors”为题发表在Nature Communications期刊上。

图文导读

Fig. 1 | Structural evolutions of Rb₆Re₆S₈I₈ upon compression.

Fig. 2 | Pressure-dependent optical properties of Rb₆Re₆S₈I₈ during compression. 

Fig. 3 | Compression-decompression dependent structural transitions of Rb₆Re₆S₈I_8.

Fig. 4 | Retainable photocurrent at ambience, large-scale sample preparation, and photodetector device. 

总结与展望

我们研究了在含有孤立团簇的受压化合物中发生的光致发光到光电的转变。通过一系列高压实验，我们探究了在完全释放施加压力后，这种转变是否能够保留，并发现高压下的特性得以保留，具体表现为最初不具备光电性能的材料在减压后光电流大幅增加。这些结果可为构建晶态 - 非晶态混合结构的进一步应用提供指导，并为寻找在常压下可能具有高压记忆效应的材料提供关键线索。未来，还需要开展更多研究，以更好地理解非晶化导致光电流急剧增加的机制，尤其是无序相的电子结构方面。