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港大工程團隊破解鈣鈦礦發光效率之謎
引領光電材料設計 推進開發更先進LED、太陽能電池及量子技術
這項研究揭示了二維（2D）混合鈣鉛礦物晶體畸變與光輻射性質之間的基本關係。一旦二維鈣鈦礦晶體中的八面體結構發生了畸變，將會降低碘空位的形成能，使其更容易成為非輻射復合中心並降低了發光效率。另外，這種畸變導致的局部對稱性破缺也會影響能帶結構。以4-（氨甲基）吡啶陽離子（4AMP）構建的DJ相晶體展現出最嚴重的八面體畸變，產生了結構反轉不對稱，進而引起顯著的Rashba能帶分裂。
香港大學（港大）工程學院機械工程系周慈勇教授團隊近日在光電材料研究取得重大突破，首次破解二維鈣鈦礦材料的微觀結構奧秘，為開發更高效節能的LED燈、太陽能板及量子通訊設備提供關鍵技術支持。這項研究成果已刊登於國際權威期刊《美國化學會志》。研究由周教授及博士生宋玉夢主導，並與香港理工大學及南方科技大學的研究團隊合作完成。
二維鈣鈦礦被譽為「光電材料新星」，兼具「吸光發電」（如太陽能板）和「通電發光」（如LED）雙重特性。這種材料不僅輕薄、成本低，還能像印刷報紙一樣大規模生產柔性電子器件。研究發現，通過調整其原子層結構，可精準控制材料的發光顏色和亮度，在節能照明和量子技術領域極具應用價值。
團隊運用先進實驗與理論模擬技術，比較Dion-Jacobson (簡稱DJ型）及Ruddlesden-Popper（簡稱RP型）兩種不同結構的鈣鈦礦晶體，發現DJ型晶體的原子層會自然扭曲，形成類似「道路坑洞」的微小空隙，雖會降低亮度，卻意外產生名為「Rashba效應」的量子現象。
研究證實，DJ型鈣鈦礦的結構扭曲打破材料對稱性，使其能發射一種螺旋前進的「圓偏振光」。這種特殊光波猶如加密的旋轉密碼，可應用於防竊聽光通信系統與量子計算儲存元件。在研究的材料中，有機分子4-（氨甲基）呱啶陽離子（4AMP）的DJ相晶體表現出最強烈的結構扭曲和最顯著的圓偏振光發光特性。雖現階段其室溫發光亮度受缺陷限制，但若能突破缺陷控制技術，將成為室溫量子光源的理想候選材料。
周慈勇教授強調：「通過建立晶體結構與發光效率及高級光學功能之間的直接關聯，本研究為實現特定性能目標的鈣鈦礦材料設計提供數據支持。研究團隊期望相關技術應用於LED及太陽能電池等範疇，減少能量損耗、提升亮度及改善穩定性。」
研究以封面文章形式發表於《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society），文章標題為「Structure–Emission Property Relationship of Bilayer 2D Hybrid Perovskites」。
文章連結: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04417
周慈勇教授簡介
周慈勇教授於英國倫敦帝國學院取得理學士學位，在劍橋大學取得物理學碩士和博士學位，目前是香港大學機械工程系助理教授。他在港大的跨學科研究小組致力於研究和開發光電器件，多方面應用於柔性太陽能電池、可穿戴電子産品和綠色建築等。周教授獲得多個獎項和嘉許，包括2010年英國EPSRC博士培訓獎、2016年日本學術振興會海外博士後研究員獎、2022年香港研究資助局傑出青年學者計劃；以及2022年國家自然科學基金優秀青年科學基金等。他被列入 Clarivate 全球前1%科學家。
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