杜克大学与普渡大学的研究团队采用新技术来调控晶体内部多层无机和有机材料的排列，成功证明了他们能够操控钙钛矿材料中电子与空穴（正电荷载流子）的能级。这种调节对材料的光电特性及其发射特定能量光的能力产生了影响，显示了它们作为激光源的潜力。
这项研究于8月31日在《自然化学》杂志的网络版上发表，体现了多个实验与理论团队的紧密合作。实验团队负责合成材料并表征其特性，而理论团队则进行计算模拟，以预测材料的电子结构和特性。
计算工作的一个重要基础是对材料特性计算模拟代码的长期投资。
杜克大学机械工程与材料科学副教授Volker Blum表示：“我们已经投入近20年的时间，以便能够在更大系统中进行这种计算。”他补充道：“这项研究涉及用先进的方法模拟多达900个原子的结构，这需要强大的超级计算机来处理地球上一些最大的计算。”
钙钛矿材料是一类化合物，因其独特性质，尤其是在半导体领域，受到材料科学界的广泛关注。这些材料的特定晶体结构使其适用于发光二极管（LED）、太阳能电池和激光器等多种应用。
本文重点探讨有机半导体掺杂层状钙钛矿材料的结构控制问题。尽管这些类型的钙钛矿之前已通过单层有机和无机成分制成（包括戴维·B·米齐的开创性研究，他现为杜克大学教授），但精确控制无机成分的厚度以调整材料性质，对于这些更复杂的“有机半导体结合钙钛矿”仍然是一个挑战。
根据研究结果，添加到无机层的有机成分会影响半导体的性能，例如能级和光发射。通过精确控制这些结构中的原子排列和层数，研究人员能够调整所得到材料的光学和电子特性。
他们的研究还解决了合成这些材料的挑战，包括需要混合不同成分，而这些成分可能不易溶解在同一溶剂中，就像试图将油和盐混合到水中一样。在更大结构中实现精确的分层和对齐变得更加复杂。
“这就像把盐和橄榄油混合到水里，”布鲁姆解释道。“一个溶解了，另一个没有。如果你想用汽油代替水，你也会遇到同样的问题。我们的合作者找到了一种方法，既可以进入溶液，又可以干燥成有序的晶体，我们能够对这些晶体进行建模，以帮助解释它们的功能。”
虽然Blum负责计算模拟和材料表征的工作，但普渡大学的Charles Davidson化学工程副教授Letian Dou则领导了合成和表征这些层状钙钛矿结构的整体工作。
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