研在合工大 | 物理、材料等领域新进展

目录

1. 电子自旋动力学理论研究领域

2. 硒硫化锑和硫化锑薄膜能带结构调控及缺陷钝化研究领域

3. 非铅金属卤化物发光材料及信息加密研究领域
   

电子自旋动力学理论研究领域

近日，物理学院徐俊卿教授独立完成的电子自旋动力学研究取得原创性理论突破。相关成果以“基于多体第一性原理方法预测固体中扩散长度与寿命：耦合动力学的作用”（Predicting and understanding diffusion lengths and lifetimes in solids via a many-body ab initio method: The role of coupled dynamics）为题，发表于物理学顶刊《Physical Review Letters》[135, 046705 (2025)]。

电子自旋等物理量的扩散长度和寿命是决定信息传输效率和器件性能的关键参数，对开发下一代低功耗电子器件具有重要意义。第一性原理模拟是理解相关物理机制和搜寻高性能材料的重要手段，但现有方法存在诸多局限：一是缺少对电子-声子耦合的量子处理，制约了理论预测的准确性；二是无法系统地推导自旋扩散长度和寿命的近似公式，不利于对物理机制的理解；三是对复杂衰变过程的解析能力有限。为了解决上述问题，在之前工作的基础上，研究人员基于线性化量子主方程方法，提出了一个模拟扩散长度和寿命的新第一性原理计算方法。该方法被应用于传统半导体和金属、二维材料和反铁磁材料，揭示了它们的自旋扩散和弛豫机制。

本工作取得的主要进展包括：一是预测精度提升：实现了对电子散射过程（如电子-声子）的量子处理，显著提高了方法的预测能力和适用范围；二是理论框架创新，建立了统一的理论框架，可系统推导不同层次的慢衰减过程扩散长度和寿命的近似公式，包括传统的Dyakonov-Perel和漂移-扩散关系式，以及考虑了多自由度耦合动力学的新关系式，新方法为理解扩散和弛豫机制提供了一个透明而准确的理论工具；三是物理机制的深入理解，在石墨烯-氮化硼体系中，揭示了多自由度耦合对自旋动力学的关键影响。

图1 石墨烯-氮化硼自旋弛豫和扩散长度的磁场效应。（a）自旋寿命的磁场效应。（b）-（d）不同方向自旋扩散长度的磁场效应。（e）-（g）不同边界条件和磁场下的自旋空间演化。“Full”表示求解完整本征值方程得到的结果。“DD”表示传统漂移-扩散关系式。“ss-DD”表示考虑了不同自旋自由度之间耦合的漂移-扩散关系式。由图可见，由于考虑了耦合动力学，“ss-DD”近似式精确描述了石墨烯-氮化硼的自旋扩散。

物理学院徐俊卿教授是论文的唯一作者。合肥工业大学是论文的唯一署名单位。该研究受到国家自然科学基金、中央高校基本业务费、合肥工业大学人才引进条件建设经费等资助。

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硒硫化锑和硫化锑薄膜能带

结构调控及缺陷钝化研究领域

近日，微电子学院提出了硒硫化锑和硫化锑薄膜能带结构调控及缺陷钝化的新策略，分别构筑了高质量的硒硫化锑和硫化锑半导体异质结及高效光电转换器件。相关研究成果以“Aqueous Selenium Ion Engineering: A Universal Strategy to Reverse Gradient Limitations in Sb2(S,Se)3 Photovoltaics for Enhanced Carrier Dynamics and Performance”和“Full-Dimensional Penetration Strategy with Degradable PEAl Enables 8.21% Efficiency in Bulk Heterojunction Sb2S3 Solar Cells”为题，分别发表在国际著名学术期刊《Advanced Functional Materials》和《Advanced Energy Materials》上。

图1 Sb2(S,Se)3半导体薄膜缺陷钝化、调控机制和器件效率

溶液法制备的Sb2(S,Se)3薄膜普遍面临能带结构失调与缺陷浓度较高问题，阻碍了光生载流子的有效传输与分离。传统的后硒化方法，特别是高温硒蒸气处理（>400°C），在同时调控硒化动力学和缺陷钝化方面存在固有的局限性，往往导致硒元素掺入不均匀，且容易通过界面空隙的形成损害薄膜的完整性。为了克服这些根本性限制，团队开发了一种新颖的离子工程范式——水相硒离子处理（ASIT）策略，该策略通过室温离子扩散协同调控能带结构和缺陷态分布，且不损伤Sb2(S,Se)3半导体薄膜的结构完整性。离子扩散调控的Sb2(S,Se)3光电子器件实现了10.38%的光电转换效率，并具备0.694V的高开路电压（Voc），这是目前效率超过10.0%的Sb2(S,Se)3光伏器件中所报道的最高Voc值。本工作构建了一种通用的低温离子工程范式，为金属硫族化物光电子器件效率提升和机理认识开辟了新途径。

图2 PEAI钝化Sb2S3晶体缺陷、能带偏转和器件效率

微电子学院陈俊伟副教授、许俊教授，中国科学院合肥物质科学研究院陈冲研究员，中国科学技术大学陈涛教授为论文共同通讯作者。上述研究工作得到了合肥工业大学分析测试中心电镜平台的支持，以及国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、微电子学院特别资助等项目的资助。

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非铅金属卤化物发光材料

及信息加密研究领域

近日，材料科学与工程学院蒋阳教授、童国庆教授团队与微电子学院许俊教授课题组合作，在非铅金属卤化物发光材料及信息加密研究领域取得新进展，相关研究成果以“Structural Transformation-Engineered Yttrium-Based Lead-Free Metal Halides with Smart Tunable Luminescence via Self-Trapped Exciton and Lanthanide Ion Intrinsic Combined Emissions”为题，发表在材料领域期刊Advanced Functional Materials上。文章第一作者为材料学院博士生李俊春，通讯作者为童国庆教授、许俊教授和蒋阳教授。

非铅金属卤化物因其具有优异的光学性能、卓越的稳定性以及绿色环保等特性，近年来受到广泛关注。此外，非铅金属卤化物还可以通过结构转变实现光谱可调，进一步拓展其在半导体显示照明及智能材料等前沿领域的应用。然而，目前关于结构转变调控发光的非铅金属卤化物材料的研究，主要聚焦于单一发光峰的调节，限制了其在更广领域的应用。为此，蒋阳教授、童国庆教授团队与许俊教授课题组合作，创新性引入了“CsCl插入/剥离”过程调控策略，在Sb/Ln（Ln=Ce、Ho和Tb）共掺杂的零维Cs-Y-Cl金属卤化物体系中，实现了多发光中心协同作用下的智能可控发光。

研究表明，该体系的发光行为主要来源于两类机制的协同发射：一是锑离子（Sb）诱导的自陷激子（STE）发射，二是镧系元素（Ln）本征能级跃迁产生的特征发射。通过对“CsCl插入/剥离”过程的精准调控，可以实现Cs3YCl6: Sb/Ln与Cs4YCl7: Sb/Ln之间的可逆结构转变。这一结构转变显著影响了Sb相关的STE发射波段，使其在绿色（~538nm）与黄色（~588nm）之间可控切换，而Ln系离子的本征发射则不受结构转变的影响。因此，基于Cs-Y-Cl: Sb/Ln体系的组合发光呈现出复杂多变的特点。此外，由结构转变诱导的晶格自净化过程有效调节了Cs3YCl6体系中的Sb/Ln摩尔比，从而进一步影响Cs-Y-Cl金属卤化物的发光光谱峰形。在此基础上，研究团队成功利用掺杂后的Cs-Y-Cl金属卤化物作为发光材料，构建了多种具有防伪与信息加密功能的图案，展现出优异的可读性与高度的保密性能。

图1 Sb/Ce双掺杂后Cs-Y-Cl金属卤化物发光材料在结构转变过程中的晶体结构变化和颜色调节规律

图2 基于掺杂的Cs-Y-Cl金属卤化物发光材料在防伪、信息保护图案和荧光复合薄膜中的应用

上述研究得到了国家自然科学基金、安徽省重点研究与开发计划、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费以及黄山学者优秀青年人才计划等项目支持。

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来源 | 物理学院 微电子学院 材料科学与工程学院

编辑 | 徐海龙

责编 | 卫婷婷 唐君煜

投稿邮箱 | hfutxcb404@163.com

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