近日，聊城大学物理科学与信息工程学院刘才龙教授团队在极端条件物态调控方面取得系列新进展，相关成果分别发表在Adv. Sci.、Adv. Opt. Mater.、Appl. Phys. Lett.、APL Mater.、Ultrafast Science等国际期刊上。
进展一：钙钛矿材料中的载流子超快动力学行为一直以来备受关注。刘才龙教授团队利用高压原位稳态光致发光、稳态吸收和飞秒瞬态吸收光谱探测技术，对CsPbBr3量子点压致电子态转变、荧光猝灭和带隙演化中的超快动力学行为进行了实验探究。研究发现，高压原位飞秒瞬态吸收光谱可以有效区分混合电子态，并获得压力依赖的载流子超快动力学寿命，揭示了CsPbBr3量子点压致荧光猝灭和消失的微观物理机制。这项工作对于改善钙钛矿材料的光物理性能至关重要，为拓宽其在光电探测器、发光二极管和太阳能电池等领域的应用提供了重要的指导。相关研究成果以“Ultrafast Dynamics across Pressure-Induced Electronic State Transitions, Fluorescence Quenching, and Bandgap Evolution in CsPbBr3 Quantum Dots”（CsPbBr3量子点在压力诱导的电子态转变，荧光猝灭和带隙演化过程中的超快动力学）为题发表在《Advanced Science》（《先进科学》）上。2021级硕士生陈林和楚亚博士为共同第一作者，张海娃博士、郑州大学郭海中教授和刘才龙教授为共同通讯作者，聊城大学为第一署名单位。
电子转移速率的调控对提高电子转移系统的光电转换效率至关重要，近年来逐渐成为研究热点。刘才龙教授团队利用高压原位瞬态吸收光谱探测技术，提出了压力调控甲苯中InP/ZnS量子点-蒽醌（InP/ZnS QD-AQ）复合体系电子转移的影响机制。研究表明，从常压至0.9GPa，压致供-受体间距的减小可以有效促进InP/ZnS QD-AQ复合体系的电子转移过程；从0.9GPa至2.1GPa，InP/ZnS QD-AQ复合体系的电子转移过程被抑制是压致InP/ZnS量子点的量子限域效应和蒽醌分子的压致AIE效应共同作用的结果。此项工作为基于供-受体复合体系光电器件的发展提供理论依据，并将促进其在光电转换领域中的应用。相关成果以“Electron transfer tuned by pressure-dependent aggregation-induced emission in InP/ZnS quantum dot-anthraquinone complexes（通过压力依赖的聚集诱导发光调控InP/ZnS量子点-蒽醌复合体中的电子转移）”为题发表在《Applied Physics Letters》（《应用物理快报》）国际期刊上。2021级硕士生秦霞霞和张海娃博士为论文共同第一作者，楚亚博士、王庆林教授、郑州大学郭海忠教授和刘才龙教授为共同通讯作者，聊城大学为第一署名单位。
时间分辨瞬态吸收光谱测量技术在研究材料的发光或非辐射复合等激发态弛豫过程中具有重要的应用前景。压力被视为调控极端条件下材料载流子动力学过程的有效手段。刘才龙教授团队概述了高压原位瞬态吸收光谱的原理，总结了近年来利用高压原位瞬态吸收光谱实验技术探测不同超快动力学行为的最新研究进展，并对高压原位瞬态吸收光谱实验技术及应用进行了展望。相关成果以“A Review: Principles and Applications of High-Pressure in situ Time-Resolved Transient Absorption Spectroscopy（评论：高压原位时间分辨瞬态吸收光谱的原理和应用）”为题发表在Science出版集团期刊《Ultrafast Science》（《超快科学》）上。2021级硕士生秦霞霞为论文第一作者，张海娃博士、王庆林教授和刘才龙教授为共同通讯作者，聊城大学为第一署名单位。
进展二：压力可以通过影响晶体结构，实现对材料光学和电输运特性的调控。红荧烯作为一种典型的有机半导体材料，在有机场效应晶体管、有机发光二极管及有机光伏等领域具有巨大潜力。刘才龙教授团队利用最新搭建的高压原位光电测量装置观察到在压力作用下红荧烯的光致发光强度提升8倍，光电流增强2.5倍。结合理论研究发现，压力的施加能够有效地促进π-π堆积距离的缩短和侧方苯基的扭曲，从而引起带隙减小和光致发光及光电流的增强。此外，红荧烯经历的电子结构相变被证实是导致光致发光和光电流减弱的重要原因。此项研究通过将实验测量手段与理论计算相结合，全面探究红荧烯光电特性与晶体结构之间的关系，为光电器件性能的优化及新型光电材料的设计提供新思路。相关研究成果以“Pressure-Induced Enhancement of Photoluminescence and Photocurrent in Organic Semiconductor Rubrene（有机半导体红荧烯中的压致荧光和光电流增强）”为题发表在《Advanced Optical Materials》（《先进光学材料》）上。我院张海娃博士为论文第一作者，张国召博士、王庆林教授和刘才龙教授为共同通讯作者，聊城大学为第一署名单位。
Bi2S3具有低毒性、低合成成本、吸收系数及载流子迁移率高等优点，成为光电探测器的潜在候选者。然而，由于其电子-空穴复合速度快和光腐蚀等影响降低了其光敏行为。为克服这一挑战，刘才龙教授团队提出压力调控Bi2S3光电响应的方案。通过将高压原位光电流、变温电阻率、拉曼散射光谱、可见吸收光谱测量和理论计算方法相结合，系统研究了压力作用下Bi2S3的光电、电输运、振动模式和能带结构。研究发现，压力作用下Bi2S3显示出两种不同的光响应信号（正/负光电流），0.5~4.0GPa范围内光电流随压力的增加出现显著增强（最大值约为初始值的5.6倍）。在30.3GPa以上，Bi2S3呈现负光电流响应，可归因于压致金属化相变引起的光热效应。研究结果为调控Bi2S3的光电性能提供了新思路，为优化基于Bi2S3光电子器件提供了更多的可能性。相关成果以“Pressure-induced photo responsiveness enhancement and positive–negative switch in Bi2S3（Bi2S3中的压力诱导光响应增强和正负光电流转换）”为题发表在《Applied Physics Letters》（《应用物理快报》）上。2021级硕士研究生冯浩铖和张国召博士为论文共同第一作者，王光宇博士、房媛媛副教授和冯振豹副教授为共同通讯作者，聊城大学为第一署名单位。
刘才龙教授团队利用最新搭建的高压室温及低温电阻率和霍尔效应测量设备，结合高压原位拉曼散射测量手段，研究了高压下二维Te的电子相变和电输运过程，讨论了宏观电学性质与微观能带结构的关系。研究表明，在0.9和1.9GPa时Te发生Lifshitz转变，在2.2GPa发生了半导体-半金属的转变。此外，在Te-I到Te-II的相变过程中，低温下Te的载流子从空穴转变为电子。研究结果为二维Te在高压低温下的电子相变和电输运特性的研究提供了新视角，推进了其在电子器件中的应用。相关研究成果以“Transport properties and electronic phase transitions in two-dimensional tellurium at high pressure（高压下二维碲的输运性质和电子相变）”为题发表在《Applied Physics Letters》（《应用物理快报》）上。2021级硕士生邹博宇和国家纳米科学中心王树为论文共同第一作者，北京化工大学王聪副教授、渤海大学王秋实教授和聊城大学王庆林教授为共同通讯作者，聊城大学为第一署名单位。
进展三：近年来，压力诱导带隙调节作为一种新颖而有效的手段，揭示了固有能带性质和深层结构-性能的关系。基于几种典型的半导体材料，包括金属卤化物钙钛矿、无机量子点、压致变色分子化合物和二维半导体材料，刘才龙教授团队概述了利用显微稳态紫外-可见吸收光谱技术的压力诱导带隙响应的系列研究，总结了高压条件下结构对带隙演变的影响以及带隙工程的一般原理，为环境条件下的材料设计提供指导。相关研究成果以“A review: comprehensive investigation on bandgap engineering under high pressure utilizing microscopic UV-Vis absorption spectroscopy（评论：关于利用微区紫外-可见吸收光谱技术在高压下进行能隙工程研究的综合调查）”为题发表在《APL Materials》（《APL材料》）上。2021级硕士生陈林为论文第一作者，张海娃博士、李茜教授和刘才龙教授为共同通讯作者，聊城大学为唯一署名单位。
通常，材料的发光强度随着压力的增加而下降，最近部分材料因压致荧光增强而备受关注。刘才龙教授团队总结了近年来在钙钛矿材料、金属卤化物材料、碳点材料、有机材料和其他典型的发光材料中发现的压力诱导材料发光增强的现象和潜在机理。该综述揭示了晶体和电子结构对光致发光的影响，有助于设计具有特定发射特性的新型光电材料，为深入研究材料的光物理行为提供了新的视角。相关研究成果以“Pressure-induced emission enhancement: A review（压力诱导发光增强的评论）”为题发表在《APL Materials》（《APL材料》）上。2021级硕士生邹博宇、2020级物理学专业本科生韩莹雪、杨志豪为论文共同第一作者，张国召博士、王庆林教授和刘才龙教授为共同通讯作者，聊城大学为第一署名单位。
刘才龙教授团队基于国家和山东省重大发展战略需求，立足于“极端条件物态调控”研究领域，坚持基础研究和应用基础研究相结合，物理学、材料学、化学等学科交叉融合的发展模式，开展新技术、新物态和新材料的基础理论与应用研究，在高压物态调控、智能材料与器件开发、超快激光技术及应用等研究方向形成了特色优势。团队积极推进有组织科研，实现教育、科技、人才“三位一体”目标。
目前团队已建成较为全面的极端条件综合测量平台，具备高压、高低温、强磁场和超快光场等多维度测量能力。其中，稳态光学测量平台，可实现高压变温拉曼散射、荧光和紫外-可见-红外吸收光谱的微区测量；瞬态吸收和受激拉曼光谱测量平台，可实现高压变温超快动力学的研究；电输运测量平台，可实现高压变温变磁场交流阻抗和直流电输运的原位测量。
以上工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省高校青年创新团队科技计划、聊城大学科研启动基金和山东省泰山学者专项建设基金等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202308016
https://doi.org/10.1063/5.0192571
https://doi.org/10.34133/ultrafastscience.0044
https://doi.org/10.1002/adom.202302970
https://doi.org/10.1063/5.0189095
https://doi.org/10.1063/5.0190275
https://doi.org/10.1063/5.0198102
https://doi.org/10.1063/5.0196152
（审稿：王明红）