光电融合新范式：长春光机所孙晓娟/李大冰团队《Light》发表铁电量子阱相纯度调控策略
导语
当材料同时“记住”电场状态并发出强光，未来光计算与存储的瓶颈有望被打破。
近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所孙秀娟研究员、李达斌研究员团队联合合作者，在顶级光学期刊《Light: Science & Applications》上发表了一项突破性研究。
他们成功制备出具有纯相量子阱结构的二维金属卤化物钙钛矿（MHP）铁电薄膜，并实现了对其光致发光（PL）强度的非易失性、可逆电调控，为开发新型多态光电子器件铺平了道路。
核心内容
1. 问题与挑战：传统的准二维金属卤化物钙钛矿（MHP）材料具有铁电性和半导体特性潜力，但薄膜在结晶过程中会形成宽度随机的多量子阱（n相分布不均），这严重劣化了其光电性能和铁电性。以往提升光电性能的方法（抑制低n相）又不利于铁电性的实现。
2. 创新策略：研究团队创新性地引入无机盐溴化锰（MnBr₂）到 (BA)₂CsPb₂Br₇钙钛矿前驱体中。MnBr₂通过改变溶剂pH值（使其酸性增强），有效抑制了胶体形成，从而精准调控了结晶动力学，成功限制了高n相的成核。
3. 突破性成果：
高相纯度：获得了n=2相为主、分布均匀的高质量准二维钙钛矿薄膜。
卓越性能：该薄膜展现出明显的铁电迟滞回线和面内铁电畴翻转能力，同时实现了高达88.7%的光致发光量子效率(PLQE)，远优于未添加MnBr₂的原始薄膜(11%)。
电控“记忆”发光：最引人注目的发现是，施加电场后，薄膜中掺杂的Mn²⁺离子能发生非挥发（记忆性）、可逆的发光强度原位调制。这源于铁电极化方向改变引起的晶格畸变对Mn²⁺局域晶体场环境的调控。
4. 应用演示：利用这种独特的电控发光特性，团队构建了一个简单的系统（结合GaN LED和该铁电薄膜），成功实现了5⁵种状态的多态信号编码和基础的逻辑“与”门(AND Gate)功能。
电场“写”入，发光“记住”
这项研究最引人注目的发现，是利用材料的铁电特性实现了对Mn²⁺发光的原位、非易失性电调控：
1. 电场调控发光：当对薄膜施加外电场时，Mn²⁺的发光强度发生显著变化。随着电压从0V增加到±6V，发光强度最高可增强约2.47倍（图4b,c）。
2. 非易失性记忆：关键在于，这种发光强度的变化在撤去外电场后能够长时间保持（图4f）。施加一个6V脉冲电压后，增强的发光状态可以维持至少30分钟才开始缓慢衰减。
3. 机制揭秘： 这种效应源于铁电极化方向随电场发生翻转。极化翻转导致了晶格畸变（distortion）（通过威廉姆森-霍尔分析/W-H分析证实，图4d）。晶格畸变增强了激子-声子耦合，使得激发态的Mn²⁺离子更容易通过辐射跃迁回到基态，从而增强了发光（图4e）。
4. 状态可控：通过施加不同宽度和极性的电压脉冲，可以实现对发光强度的多级、可逆调控（图5）。长脉冲（0.25-1秒）可实现非易失性的开关状态记忆；短脉冲（0.02-0.1秒）则能实现易失性的同步调制。
图1：MnBr₂调控量子阱成膜机制
概念验证器件中的多态信号编码与逻辑AND门功能
a-c 光-电通信演示：PL强度调制器件的工作流程。从上到下，GaN LED的开关与所施加的电压分别作为光输入与电输入，被监测的PL强度作为输出信号。
d-f 逻辑AND门的工作原理与演示。
d 逻辑AND门的示意图及工作原理。
e 6%MnBr₂薄膜归一化PL强度的3D柱状图；将归一化PL强度高于0.5记为输出码“1”，低于0.5记为“0”。
f 逻辑AND门的动态演示。
图2：材料表征与光学性能提升
结构与光学表征
a、b 分别为原始薄膜和添加6%MnBr₂薄膜的扫描电镜（SEM）图像。
c 0–8%MnBr₂掺杂薄膜的X射线衍射（XRD）图谱。
d 原始薄膜与6%MnBr₂掺杂薄膜在Cs 3d、Pb 4f、Br 3d结合能区域的 X 射线光电子能谱（XPS）。
e、f 0–8%MnBr₂掺杂薄膜的紫外-可见吸收光谱和光致发光（PL）光谱（插图为PL光谱的局部放大）。
g、h 分别为原始薄膜和6%MnBr₂掺杂薄膜的分波态密度（PDOS）。
图3：瞬态吸收揭秘相分布调控
MnBr₂调控的相分布
a、b 分别为原始薄膜和添加6%MnBr₂薄膜在不同延迟时间下的飞秒瞬态吸收（TAS）光谱。
c、d 原始薄膜和6%MnBr₂薄膜中n=2与n=3相的瞬态吸收动力学曲线及其拟合结果。
e、f 原始薄膜和6%MnBr₂薄膜在溶剂挥发过程中的时间分辨原位光致发光（PL）光谱。
g、h 不同n相PL强度随时间的变化曲线，由图e、f积分得到。
图4：铁电性驱动发光非易失调制
铁电性调控发光
a 在6%MnBr₂薄膜上施加针尖电压V=±10V后的面内PFM相位图像。
b 电压依赖的光致发光（PL）光谱等高图。
c Mn²⁺的PL强度与PL衰减时间随施加电压的变化关系。
d 6%MnBr₂薄膜在0、±6V电压下的Williamson–Hall（W–H）曲线。
e 能量转移机制示意图。
f 撤去脉冲电压后，PL强度随时间的变化。
g PL 强度与晶格畸变量（ɛ）随施加电压的变化关系。
图5：脉冲电压实现多态光存储
电压调控的光致发光强度
a-f 对6%MnBr₂薄膜施加不同脉冲宽度的脉冲电压，实现PL强度的调制。下方曲线为施加的脉冲电压，上方曲线为随电压变化的PL强度。
g 电场调制PL强度的示意图：图g2为初始铁电极化状态；图g1和g3分别展示铁电极化被完全翻转与未完全翻转的状态。
图6：多态编码与逻辑门验证
概念验证器件中的多态信号编码与逻辑AND门功能
a-c 光-电通信演示：PL强度调制器件的工作流程。从上到下，GaN LED的开关与所施加的电压分别作为光输入与电输入，被监测的PL强度作为输出信号。
d-f 逻辑AND门的工作原理与演示。
d 逻辑AND门的示意图及工作原理。
e 6%MnBr₂薄膜归一化PL强度的3D柱状图；将归一化PL强度高于0.5记为输出码“1”，低于0.5记为“0”。
f 逻辑AND门的动态演示。
为未来光电子技术奠基
1. 解决核心难题：提供了一种普适性策略（MnBr₂调控结晶动力学），成功解决了二维钙钛矿铁电薄膜中量子阱n相分布混乱的关键瓶颈，实现了兼具高荧光效率和优异铁电性的高质量纯相薄膜。
2. 发现新效应： 首次在铁电半导体薄膜中实现了基于晶格畸变的、非易失性的Mn²⁺发光原位电调控，揭示了铁电性与发光性质耦合的新机制。
3. 开辟新应用：概念验证器件成功演示了多态信息编码和光电逻辑运算（AND门）功能。这为开发基于铁电钙钛矿的、集信息存储、处理与光电转换于一体的新型多功能光电子器件（如神经形态视觉传感器、存算一体光芯片、高密度光学存储、可重构光电逻辑电路等）奠定了坚实的材料基础和器件原理。
4. 推动材料探索：该策略有望推广应用于其他二维铁电半导体体系，加速新型多功能铁电光电子材料的发现与应用。
这项突破性研究不仅显著推进了高效铁电钙钛矿薄膜的制备技术，更通过展示其独特的光电调控能力和器件应用前景，为未来信息技术的发展点亮了新的方向。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01874-2
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