规避逆同位素效应并协同调节钙钛矿硬度与提升热稳定性

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0256

人工晶体学报 ›› 2026, Vol. 55 ›› Issue (5): 746-752.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0256

规避逆同位素效应并协同调节钙钛矿硬度与提升热稳定性

李卓越¹^,²^,³(), 杨梦柯²^,³^,⁴, 周思圻²^,³^,⁵, 张剑锋⁶, 马运东², 胡子钰²(), 郑国宗²()

^1.福州大学化学学院，福州 350116
^2.中国科学院福建物质结构研究所，福州 350002
^3.中国科学院大学福建学院，福州 350002
^4.福建师范大学化学与材料学院，福州 350007
^5.福建师范大学物理与能源学院，福州 350007
^6.成都精密光学工程研究中心，成都 610041

收稿日期:2025-12-18 出版日期:2026-05-20 发布日期:2026-06-09
通信作者: 胡子钰，工程师。E-mail：huziyu@fjirsm.ac.cn；
郑国宗，博士，研究员。E-mail：zhengguozong@fjirsm.ac.cn
作者简介:李卓越（2002—），男，安徽省人，硕士研究生。E-mail：lizhuoyue@fjirsm.ac.cn
基金资助:
福建省青年科技人员育成项目(2025350152)

Avoidance of Inverse Isotope Effect and Synergistic Adjustment of Perovskite Hardness Coupled with Improvement of Thermal Stability

LI Zhuoyue¹^,²^,³(), YANG Mengke²^,³^,⁴, ZHOU Siqi²^,³^,⁵, ZHANG Jianfeng⁶, MA Yundong², HU Ziyu²(), ZHENG Guozong²()

^1.College of Chemistry，Fuzhou University，Fuzhou 350116，China
^2.Fujian Institute of Research on the Structure of Matter，Chinese Academy of Science，Fuzhou 350002，China
^3.Fujian College，University of Chinese Academy of Sciences，Fuzhou 350002，China
^4.College of Chemistry and Materials Science，Fujian Normal University，Fuzhou 350007，China
^5.College of Physics and Energy，Fujian Normal University，Fuzhou 350007，China
^6.Chengdu Fine Optic Engineering Research Center，Chengdu 610041，China

Received:2025-12-18 Online:2026-05-20 Published:2026-06-09

摘要/Abstract

摘要： 钙钛矿材料凭借优异的光电转换效率与可调带隙特性，在新型光伏器件与高性能光电探测器领域展现出广阔前景。然而，钙钛矿在实际工作条件下存在长期稳定性不足的问题，严重制约了其规模化商业应用。针对这一关键瓶颈，本文提出一种基于甲基氘代（—CD₃）的分子工程策略，即利用氘（D）同位素选择性地取代钙钛矿中有机阳离子（CH₃NH₃⁺）甲基端上的氢原子，在不显著改变材料电子结构的前提下，实现对材料稳定性的系统性提升。相较于传统上对铵基（—NH₃）位点进行的氘代处理，甲基氘代策略能够有效规避因N—D键的量子隧穿效应可能引发的逆同位素效应，从而避免潜在稳定性下降的风险。研究发现，通过氘原子的引入可实现对材料硬度的调控，并提升其热稳定性。在载流子动力学层面，氘代有效抑制了晶体的动态无序性，进而使材料的载流子寿命得到明显的提升。

关键词: 钙钛矿; 甲基氘代; 同位素效应; 能带调控; 抑制结构无序性

Abstract: Perovskite materials show broad prospects in the field of new photovoltaic devices and high-performance photodetectors due to their excellent photoelectric conversion efficiency and adjustable band gap characteristics. However， perovskite has the problem of insufficient long-term stability under actual working conditions， which seriously restricts its large-scale commercial application. To address this critical bottleneck， this study proposed a molecular engineering strategy based on methyl deuteration （—CD₃）， which selectively replaced the hydrogen atoms on the methyl terminus of organic cations （CH₃NH₃⁺） in perovskites with deuterium （D） isotopes. This approach systemically enhances material stability without significantly altering the electronic structure of the material. Compared with the traditional deuteration treatment of the ammonium （—NH₃） site， the methyl deuteration strategy effectively avoids the inverse isotope effect that may arise from quantum tunneling effect of N—D bonds， thereby precluding the risk of potential stability decline. This study reveales that the introduction of deuterium atoms enables the modulation of material hardness and enhances its thermal stability. At the level of carrier dynamics， deuteration effectively suppresses the dynamic disorder of the crystal， thereby significantly enhancing the carrier lifetime of the material.

Key words: perovskite; methyl deuteration; isotope effect; band gap regulation; structural disorder

中图分类号:

O734

李卓越, 杨梦柯, 周思圻, 张剑锋, 马运东, 胡子钰, 郑国宗. 规避逆同位素效应并协同调节钙钛矿硬度与提升热稳定性[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(5): 746-752.

LI Zhuoyue, YANG Mengke, ZHOU Siqi, ZHANG Jianfeng, MA Yundong, HU Ziyu, ZHENG Guozong. Avoidance of Inverse Isotope Effect and Synergistic Adjustment of Perovskite Hardness Coupled with Improvement of Thermal Stability[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(5): 746-752.

图/表 4

图1 CH3NH3PbCl3和CD3NH3PbCl3的部分性能对比。（a）单晶照片；（b） XRD图谱；（c）核磁共振谱；（d）拉曼光谱

Fig.1 Comparison of some properties of CH3NH3PbCl3 and CD3NH3PbCl3. （a） Single crystal images；（b） XRD patterns；（c） NMR spectra；（d） Raman spectra

图2 CH3NH3PbCl3和CD3NH3PbCl3的紫外吸收光谱和紫外光XPS。（a）紫外吸收光谱；（b）Tauc 图法计算的带隙；（c）不同批次样品的带隙汇总；（d）样品的元素测量谱图；Cl-（e）和Pb2+（f）的XPS

Fig.2 Ultraviolet-visible （UV-Vis） absorption spectra and ultraviolet XPS of CH3NH3PbCl3 and CD3NH3PbCl3. （a） UV-Vis absorption spectra；（b） band gaps calculated from Tauc plots；（c） summary of band gaps for samples from different batches；（d） elemental measurement spectra of samples； XPS of Cl? （e） and Pb2+ （f）

图3 CH3NH3PbCl3和CD3NH3PbCl3的机械性能、热稳定性与电导率差异。（a）单晶的纳米压痕测试（负载-压入深度曲线）；（b）TG/DTG曲线；（c）电导率

Fig.3 Differences in mechanical properties， thermal stability， and electrical conductivity between CH3NH3PbCl3 and CD3NH3PbCl3. （a） Nanoindentation tests （load-depth curves） of single crystals；（b） TG/DTG curves；（c） electrical conductivity

图4 CH3NH3PbCl3和CD3NH3PbCl3的稳态PL光谱（a）和时间分辨PL衰减曲线及寿命拟合曲线（b）

Fig.4 Steady-state PL spectra （a） and time-resolved PL decay curves and lifetime fitting curves （b） of CH3NH3PbCl3 and CD3NH3PbCl3

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规避逆同位素效应并协同调节钙钛矿硬度与提升热稳定性

Avoidance of Inverse Isotope Effect and Synergistic Adjustment of Perovskite Hardness Coupled with Improvement of Thermal Stability

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