钙钛矿半导体呈现出从纯无机到有机-无机杂化以及从三维到零维的丰富调谐性，形成了巨大的组分和构型相空间。这赋予了新型钙钛矿半导体新颖而独特的结构与物化特性，例如液晶二元性、复杂的有机-无机相互作用。新型钙钛矿半导体研究的快速发展已经引起了相关领域范式变化，基于描述传统无机半导体特性的经典半导体理论只能提供不完整的物理图像。新型钙钛矿半导体中电子特性、电声耦合、对称性、外场诱导的晶格动力学特性及其对散射和传输、光发射、多体效应的影响以及相应的器件物理和功能等相关细节依然不清楚。课题组围绕几类新型钙钛矿半导体材料，聚焦材料中结构维度和电子维度的耦合、原子结构、对称性变化与光电响应，发展材料设计方法和光电性能调控策略，开展新型钙钛矿材料的结构设计、微观机制以及物性调控等方面研究。相关成果发表在Joule、J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.、ACS Energy Lett.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.。 

1. 发展后过渡金属离子组分精选、原子价态与空间群调控策略理性设计新型钙钛矿半导体材料.

钙钛矿材料中八面体之间的连接方式以及重金属铅离子具有的独特电子构型是新型钙钛矿材料优异光电性能的物理化学来源。如何在保持优异光电特性的情况下，降低对于环境的毒性？针对以上难题，我们首次建议了引入与铅同处于后过渡金属区间且具有相似电子构型的混合锡锗钙钛矿材料代替含有重金属元素铅的钙钛矿半导体材料(J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 803)。通过组分精选与材料空间群调控等策略，我们成功预测了一系列具有适合光伏应用的直接带隙新型混合锡锗钙钛矿半导体材料。通过混合锡锗钙钛矿的相关光电性能描述符(有效质量、激子结合能、吸收光谱等)的理论计算，我们发现其中CsSn_0.5Ge_0.5I₃钙钛矿材料表现出与原型材料CH₃NH₃PbI₃相当的光吸收且具有较小有效质量和更低激子结合能，在光伏领域极具前景。此外，我们通过分子动力学模拟进一步发现锗离子的加入明显提高了材料的热力学稳定性。在我们理论工作的引导下，美国布朗大学Nitin教授成功合成了CsSn_0.5Ge_0.5I₃，并测得其带隙值与我们的理论预测非常接近。制备的相应器件，其PCE达到7.11％(Nat. Commun. 2019, 10, 16 ESI高被引论文)。因此，我们的工作也成为通过理论计算驱动新型半导体材料创新的典型范例。

 2. 低维钙钛矿材料中电子耦合和转移新模型

我们提出了零维钙钛矿材料具有类似于有机分子晶体的特征，处于无机化合物和有机分子晶体之间的中间态，打破了无机化学和有机化学的界限，具有两类材料的物性特征(J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 10456)。零维钙钛矿材料的晶体可以看作是无机团簇和有机分子按照一定方式的拓扑结构堆叠而成。其内部团簇之间具有强烈的电子耦合和量子限域效应。由于sp杂化轨道相对于dp杂化轨道具有更高的离域化和电子耦合效应。当无机团簇含有主族金属元素时，相邻团簇的局域电子态具有较强的重叠，电子将在材料中以类似”蛙跳”方式进行迁移；而当无机团簇含有过渡金属元素时，零维钙钛矿将具有更强烈的量子限域效应，相关的电子态严格局域在独立团簇上。这些有趣本征性能表明其突破了传统的半导体材料概念。