北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构和介观物理全国重点实验室的赵清教授课题组提出了一种崭新的超分子诱导策略，创新性地将金属卤化物钙钛矿材料的光吸收（的边界）从本征630 nm显著拓展至2000 nm的红外光区，其物理机理来自于图灵结构钙钛矿的杂化物质系统内的相间电子跃迁，并验证和探索了其在光电探测器中的应用。该成果以“超分子诱导的图灵结构钙钛矿杂化半导体的可见至红外光吸收”（Visible-to-infrared photoabsorption in supermolecule-induced Turing-structured perovskite hybrid semiconductors）为题，于2025年6月13日在线发表于《科学∙进展》（Science Advances）。

金属卤化物钙钛矿作为一种新兴的颇具前景的新型半导体材料，由于其独特的晶体结构、高的光吸收系数、高的缺陷容忍度、出色的载流子特性和优异的光电性质，使其在光伏电池、发光二极管、光电探测器等半导体光电器件领域备受关注。尽管钙钛矿具有带隙可调性，但其光吸收依然受限于1000 nm附近，更宽广的红外光无法被材料获取，进而限制了其在低能量红外光区的研究和在光电器件等方面的应用。

针对这一科学问题，北京大学物理学院赵清教授课题组联合合作者提出一种新颖的超分子冠醚诱导策略，通过引入超分子冠醚在无机钙钛矿中将材料的光吸收从630 nm连续拓展至2000 nm的红外光区：在750-1100 nm、1100-1500 nm、1500-2000 nm范围分别实现了>90%、68.4-90%、36.8-68.4%的光吸收（图1）。无论钙钛矿晶体处于高对称的黑相（β相）还是由于环境湿度转变为的黄相（δ相），这种特征显著的光吸收拓展依然保持；并且还系统研究了五种不同的冠醚分子，发现它们在实现光吸收拓展方面具有高度一致的普适性。

图1：超分子冠醚的引入策略实现钙钛矿的光谱拓展：从可见至红外的光吸收（光谱学）。

实验研究发现，超分子冠醚与钙钛矿之间形成了强的超分子主客体相互作用，引发了显著的晶格调控，并且结晶诱导生成了一种全新的物质晶体相——“超分子杂化晶体”。作者首次合成制备了单晶、确认了晶体结构并予以命名，获得剑桥晶体学数据库（CCDC）的编号为2305945（图2）。同时，原钙钛矿晶体作为激活相，超分子杂化晶体作为抑制相，它们共同构建形成了一种独特的具有双相结构的“自组织图灵结构的钙钛矿”薄膜。对于五种不同冠醚分子或黄相钙钛矿，构成的图灵形貌结构都具有高度普适性（图2）。

图2：超分子冠醚诱导的“超分子杂化晶体”与“图灵结构钙钛矿”混合物质系统（晶体学和形貌学）。

通过吸收光谱、荧光光谱、光电子能谱和超快飞秒瞬态吸收光谱等深入表征系统揭示出，显著的可见至红外光吸收来源于图灵结构钙钛矿的混合物质系统内（即钙钛矿晶体与超分子杂化晶体）的相间电子跃迁（图3）。最后，作者还验证并探索了该具有可见至红外光吸收的钙钛矿体系的光电应用，所制备的光电导型光电探测器显示，图灵结构的钙钛矿半导体在本征吸收光谱之外的近红外光区具有显著的光电响应，器件表现出更低的暗电流、优异的近红外响应度和探测率（图4）。

该工作显著扩展了钙钛矿类半导体在红外波段的光吸收和探测能力，并发现该种可见红外光吸收对湿度具有很高的耐受性，有利于未来的光电器件应用。该研究在图灵结构和超分子杂化晶体领域也取得新进展，开发了一类新型晶体（超分子杂化晶体）和一种新的混合材料体系（“图灵结构钙钛矿”混合物质系统），可用于广谱光吸收、红外探测、成像、能量转换等多方面的应用。

图3：光电子能谱和飞秒瞬态吸收光谱等表征揭示界面电子跃迁新机制（物理学机制）。

图4：用于可见至近红外的光电探测器及其性能响应（光电应用）。

北京大学物理学院2023级博士研究生高鹏为论文的第一作者，北京大学赵清教授、苏州大学孙宝全教授和电子科技大学赵怡程教授为共同通讯作者。本研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、人工微结构和介观物理全国重点实验室、教育部纳光电子前沿科学中心等的支持。

论文原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu0298