课题组还首次采用气相沉积工艺制备出无机钙钛

2019-09-10 13:58栏目:产品评测
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近日,我校物理学院北京谱仪实验团队陈申见教授课题组科研工作再次取得重要进展,最新研究成果以“Measurement of the absolute branching fraction of the inclusive semileptonic Λc+decay”为题发表在Phys .Rev. Lett. 121, 250801 ,作者是课题组黄晓忠博士。

近日,我校物理学院BESIII实验团队与中科院高能所合作,在轻标量介子的研究方面取得重要进展。研究团队在D介子的半轻衰变过程中首次观测到了轻标量介子a0,这为研究a0 的本质提供了重要的实验依据,并为轻标量介子内在结构的研究开拓了新的思路。研究成果以“Observation of the Semileptonic Decay D0→a0-e+neand Evidence for D+→a00e+ne”为题,于2018年8月24日发表于在Phys. Rev. Lett. 121, 081802 。物理学院陈申见教授课题组的博士研究生豆正磊是该论文的通讯作者和实际的第一作者(由BESIII合作组认定)。

有机-无机杂化钙钛矿薄膜在可见光范围具有优异的光吸收和能带调控特性,以及较长的载流子寿命,近年来一直是研究关注的热点。然而,通常的钙钛矿材料(CH3NH3PbI3)热稳定性差,且对湿度敏感,也大大限制了其规模化光伏器件应用。如何提高其稳定性并保持较高的光电转换效率,一直是困扰钙钛矿材料进一步发展的问题。近日,南京大学电子学院余林蔚教授课题组与合肥工业大学材料学院蒋阳教授团队合作,提出采用精确可控的叠层调控物理化学气相沉积技术(stack-sequence physical-chemical vapor deposition)制备混合阳离子掺杂、能带渐变的新型钙钛矿薄膜材料。此混合阳离子掺杂有机杂化钙钛矿薄膜,利用可规模化制备的气相淀积工艺,首先制备富集Cs、Br元素的表层钙钛矿和富集FA、I的内层叠层结构,然后经过低温退火相互扩散构建出具有能带梯度的钙钛矿薄膜,使其能充分并分布式吸收不同波段的入射光,从而实现18.22%的转换效率。令人兴奋的是,混合无机阳离子掺杂大大提高了器件的稳定性:器件放置在空气中两个月后,阳离子掺杂钙钛矿依旧能够保持较高的转换效率,这为实现规模化制备高性能稳定的掺杂钙钛矿电池提供了新思路。相关工作以南京大学为第一单位发表在近期的《Nano Energy》上(DOI:10.1016/j.nanoen.2018.04.012.)。

自从Λc重子于1979年被实验发现以来,其强衰变的模式已被广泛地研究,然而对其半轻衰变的研究非常稀少,目前实验只观测到Λc+→Λl+νl 这一种半轻衰变模式。通过比较遍举衰变分支比 Br(Λc+→Λe+νe) 和单举半轻衰变分支比Br(Λc+→Xe+νe),可以为寻找尚未观测到的Λc半轻衰变模式指明方向。此外Λc和D介子的寿命主要由粲夸克的弱衰变主导,因此Λc的单举半轻衰变宽度和D的单举半轻衰变宽度有很强的关联。理论上通过不同的方法预言了Λc和D的单举半轻衰变宽度的比值。精确测量Λc的单举半轻衰变分支比,有助于区分不同的理论模型,并为理解Λc的衰变动力学提供实验依据。

对质量在1GeV/c2以下的a0 和f0 等轻标量介子的内在结构的研究一直是非微扰QCD的核心问题之一,它对于理解低能区的手征对称以及相关物理守恒律具有重要的意义。夸克模型认为a0 和f0 等为传统的正负夸克组成的qbar{q}态,但该模型难以解释f的辐射衰变过程f→ga00等一系列实验现象,因此对于轻标量介子的内在结构还存在着四夸克态、Kbar{K}束缚态等多种假设。在此前的实验中,已经发现了一部分四夸克态候选,但与轻标量介子不同的是,它们都含有重夸克对成分。

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实验上只有MarkII合作组在1982年测量了Λc的单举半轻衰变分支比。受限于数据样本,MarkII的结果依赖于诸多假设。研究团队利用BESIII探测器在质心能量4.6 GeV处采集的总积分亮度为567 pb-1的正负电子对撞数据和双标记的方法,精确测量了Λc单举半轻衰变的分支比,该结果不依赖MarkII所作的假设。该研究表明Λc+→Xe+νe是Λc半轻衰变的主要模式,这也是实验上尚未观测到Λc其他半轻衰变模式的部分原因。此外,研究团队根据Λc和D的单举半轻衰变宽度的比值,有效地区分了不同理论的预言。下图展示了实验室系中Λc单举半轻衰变产生的电子动量谱的拟合图。带误差棒的是实验数据,蓝色曲线是总的拟合结果。从图中可以看到明显的信号过程。

半轻衰变过程中强子跃迁可以自然地从轻对中分解出来,能有效避免强子衰变中复杂的末态相互作用,因此在D介子半轻衰变中寻找a0 可以有效提供a0 波函数中的a0-=dbar{u}, a0+=ubar{d}和a00=(ubar{u}–dbar{d})/Ö2成分信息,其对于研究D介子的衰变机制也至关重要。

图1叠层调控物理化学气相沉积制备有机钙钛矿电池结构示意图和能带结构图

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研究团队利用北京谱仪III探测器采集的总积分亮度为2.93 fb-1的y数据和双标记方法,在6.4倍标准差的显著性上实现了对D0→a0-e+ne衰变的寻找,并在2.9倍标准差的显著性上发现了D+→a0+e+ne衰变的证据,测得它们的分支比。对于D+衰变过程,由于缺乏足够的统计显著性,研究团队还测量了其在90%置信度下的分支比上限。测得的两个衰变过程的分宽度比值与同位旋对称性的预期一致。

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以上研究工作是我校BESIII实验团队与中科院高能所合作完成,物理学院黄晓忠博士在导师指导下独立完成了实验数据分析、结果获得和文章撰写,是论文的通讯作者和实际第一作者。研究团队特别感谢基本粒子与相互作用协同创新中心、中科院粒子物理前沿卓越创新中心的支持,以及科技部国家重点研究计划、国家自然科学基金委大科学装置重点项目的资助。

该研究首次实现了在D介子半轻衰变过程中对a0 的寻找,将为探究a0 的结构揭开新的一页,并为将来基于高统计量数据的形状因子的测量提供了重要的实验依据。

图2 混合阳离子钙钛矿电池光伏性能

(物理学院 科学技术处)

下图展示了对两个运动学变量,hp粒子系统不变质量和U=Emiss–cpmiss,进行二维拟合后相应变量的投影分布。上面两图对应D0→a0-e+ne过程,下面两图对应D+→a0+e+ne过程。带误差棒的点是实验数据,红色实线为总的拟合结果,绿色虚线是信号过程的分布,其他曲线代表各背景过程的分布。从图可以看到很清楚的信号过程。

此外,课题组还首次采用气相沉积工艺制备出无机钙钛矿衍生相。通过调控前驱物CsBr和PbBr2的薄膜厚度和沉积速率,利用无机钙钛矿丰富的相变转换过程,得到CsPb2Br5与CsPbBr3以及Cs4PbBr6与CsPbBr3的混合相。研究发现过量的PbBr2与生成的CsPbBr3钙钛矿薄膜反应,生成新的二维层状相CsPb2Br5包覆其外。分析表明少量的CsPb2Br5在无机钙钛矿层具有良好的钝化作用,减少了钙钛矿表面的缺陷态,从而可以有效的阻止表面电荷复合,促进电荷传输,进而有效地提高探测器在晶硅衬底上的响应速度(280 μs/640 μs)。值得注意的是,采用连续物理化学气相沉积工艺,同样实现了其在柔性衬底上的应用,并且展现出良好的机械性能和光电性能,其探测率也可达到1011Jones, 并且在连续弯曲1000次后,其光电性能几乎没有衰减。相关工作发表在《Small》上(2018, 14, 1702523),并先后被Advanced Science News、Materials Views China作为亮点形式报道。

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该研究工作得到了基本粒子与相互作用协同创新中心、中国科学院卓越创新中心的支持,以及科技部国家重点研究计划、国家自然科学基金大科学装置重点项目的资助。

图3 气相沉积两相无机钙钛矿柔性光电探测器

(物理学院 科学技术处)

进一步,针对无机钙钛矿在紫外-可见光区域的强吸收性能和光致发光性能,通过在有机钙钛矿探测器的FTO基底外部蒸镀一层无机钙钛矿材料作为窗口层,可将高能量的紫外光吸收、并直接转换成有机钙钛矿吸收最佳的(400~600 nm)可见光波段,从而实现对深紫外光探测。如此,不仅可以实现无机钙钛矿层的精确调控,又能有效的避免后续无机钙钛矿中的溶剂对有机钙钛矿层的破坏,大大提高了探测器的稳定性。相关工作发表在《物理化学快报》上(Journal of Physical Chemistry Letters, DOI:10.1021/acs.jpclett.8b00429),该工作亦受邀以ACS LiveSlides形式Highlight。

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图4 复相无机钙钛矿层下转换机理

以上工作第一作者均为我校博士生童国庆同学,合肥工业大学硕士生李欢同学在部分工作中给予重要帮助,余林蔚教授和蒋阳教授为论文的共同通讯作者。相关工作得到了电子科学与工程学院的徐骏教授、施毅教授的大力支持。此系列研究工作受到“青年千人计划”,国家自然科学基金,江苏省杰出青年基金和“双创人才”个人与团队计划、脉冲功率强激光技术国家重点实验室开放基金的资助。

(电子科学与工程学院 科学技术处)

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