首页首页幻灯
《先进材料》报道光电所宋继中等二维钙钛矿研究进展
时间:2016-05-15 来源:未知 点击:

    二维半导体材料具有超轻超薄超柔的沟道、较高的迁移率等特点,是后摩尔时代微电子及光电子器件所需要的一类重要新材料。但目前发现的主要二维材料,包括石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等,都很难同时满足适当带隙宽度、高迁移率、高稳定性等关键要求。针对这些问题,南京理工大学纳米光电材料研究所曾海波团队(http://ion.njust-smse.com)在新型二维光电材料理论设计与实验实现方面开展了系列研究,比如从理论上提出了砷烯与锑烯二维晶体概念(Angew. Chem. In. Ed. 2015, 54, 3112);分析了其各种同构异形体原子结构、半导体性电子结构、光响应、迁移率等(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 1666);以及自旋轨道耦合效应(Phy. Rev. B 2016, BP12826, Accepted);从实验上发现了二维半金属与红外窗口匹配的局域等离子体效应(Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 1793)

近日,曾海波团队将无机钙钛矿发展成具有可印刷光电器件功能的新型二维半导体,发表于影响因子为18的材料学顶级期刊《先进材料》 (Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.201600225http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201600225/full)

相对于石墨与二硫化钼来说,钙钛矿材料,尤其是全无机组分钙钛矿(CsPbX3X=ClBrI)具有更高的吸光能力(吸光率比有机染料高10倍)、非常大的载流子扩散长度、以及高的稳定性等优异性能。因此,二维无机钙钛矿将是柔性及可穿戴光电器件,比如光探测器,的极佳候选材料。但是,受强离子性以及立方晶相制约,超薄(单层、少层)CsPbBr3二维钙钛矿的大产率高质量实现仍然非常困难。

南京理工大学宋继中副教授、许蕾梦博士生、李建海博士生等采用溶液化学合成方法,制备了高质量、大产率、单层及少层厚度的全无机钙钛矿CsPbBr3超薄纳米片。首先,他们采用长烷链表面配体,诱导晶体的定向生长,使得立方相结构的钙钛矿形成二维的片状结构。所制备的纳米片平均厚度为3.3 nm,直径可达~2 μm。这些超薄纳米片在空气中稳定,且极易分散在各种有机溶剂中,形成稳定的高度分散的墨水,因此适合通过低成本、易操作的旋涂、滴涂、喷涂、喷墨打印等各种印刷工艺组装大面积、无裂纹的高质量薄膜及器件。随后,他们发现CsPbBr3纳米片组装膜表现出优异的光电效应以及光探测性能。所制备的光探测器件的光开关比高达104;展现出了非常高的响应度,光响应上升和下降时间分别为19 μs25 μs基于柔性衬底的纳米片探测器具有高度的折叠稳定性,能够在持续弯曲10000次后,电流与未弯曲初始值相比波动小于3%,这对柔性、可穿戴光探测器非常重要;具有极高的环境氛围光稳定性,在10 mW cm2 的激光辐照12小时后,电流的波动小于2.6%。以上结果表面,这种全无机钙钛矿纳米片,作为一类新型的2D半导体材料,除了有望应用于高性能柔性光探测领域,在低成本溶液工艺的超薄柔性薄膜晶体管、发光二极管、太阳能电池等光电子领域中具有广泛的应用前景。

该项研究得到了国家重大科学研究计划(2014CB931700-02)、国家基金委优秀青年基金(61222403)、中组部万人计划青年拔尖人才等项目的资助。