新型钙钛矿材料缺陷检测技术突破：正电子湮没谱学揭示微观奥秘

光电器件的关键材料面临缺陷难题

甲基铵铅溴（CH3NH3PbBr3）作为一种明星钙钛矿材料，在太阳能电池、发光二极管和γ射线探测器中展现出巨大潜力。其优异的光电性能源于可调的带隙和高效的电荷传输特性，但材料内部的微观缺陷——如原子空位或杂质——会显著降低器件效率。这些缺陷如同“隐形陷阱”，阻碍电荷流动并引发能量损失。尽管缺陷控制至关重要，其化学本质和浓度的精确检测始终是科研难点。

矛盾结果背后的科学谜题

过去研究中，正电子湮没寿命谱学（PALS）被用于探测材料缺陷。正电子作为电子的反物质，在材料中“游荡”时会被缺陷捕获并湮灭，湮灭时间的长短直接反映缺陷的尺寸和电子密度。然而，不同团队对同一材料的测量结果差异巨大：有研究称晶体几乎无缺陷，也有报告指出铅空位浓度高达10¹⁶ cm⁻³。这些矛盾源于样品制备方法不同，以及传统实验对表面缺陷干扰的敏感性。

从生长到测量的双重突破

本研究通过反溶剂气相辅助法制备出毫米级立方单晶，大幅减少表面缺陷干扰。团队首次在真空和变温条件下（295–350 K）进行PALS实验，结合双组分密度泛函理论（DFT）计算，揭示了铅空位的微观动态。（插入图片：正电子在铅空位处的密度分布模拟） 实验发现两个寿命分量：短寿命分量（217±8 ps）对应受缺陷影响的“缩减体态”，长寿命分量（382±8 ps）直接指向铅空位缺陷。温度升高导致湮灭时间延长，印证了缺陷带负电的特性。计算进一步表明，铅空位的湮灭寿命随局部化学环境变化（353–388 ps），而最稳定的空位构型与实验结果高度吻合。

为何铅空位成为“关键先生”？

通过第一性原理计算，团队模拟了多种缺陷（如溴空位、甲基铵空位）的湮灭响应，发现铅空位的形成能最低（0.54 eV），室温平衡浓度达5.1×10¹² cm⁻³，与实验测量的缺陷密度（1.2×10¹⁶ cm⁻³）趋势一致。铅空位周围的溴八面体结构形成“电子低密度区”，导致正电子局域化并延长湮灭时间。这一发现解释了不同生长方法（如反溶剂法与逆温结晶法）对缺陷类型的影响：剧烈结晶过程可能诱发更多小尺寸空位。

从实验室到产业化的桥梁

该研究为钙钛矿材料的缺陷工程提供了直接指导。例如，可通过调节前驱体比例或优化结晶条件抑制铅空位生成。此外，正电子湮没技术的高灵敏度使其成为材料质量监控的有力工具，尤其在薄膜器件和辐射探测器开发中潜力显著。 这项突破不仅解决了长期争议的缺陷识别难题，更为下一代高性能光电器件的设计与优化提供了微观尺度上的“导航图”。

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