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基于可回收溶解–重結(jié)晶法制備高穩(wěn)定、高載流子通道的全無機(jī)鈣鈦礦薄膜

來源: 北京卓立漢光儀器有限公司    2020年07月17日 15:36  

引言

根據(jù)近報(bào)道,一種新型半導(dǎo)體納米材料,即全無機(jī)鹵化物鈣鈦礦納米晶體(IPNC,CsPbX3,X = Cl,Br,I),具有高穩(wěn)定性,超高光致發(fā)光量子產(chǎn)率(PL QY),可以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)可見光波段發(fā)光。圍繞鈣鈦礦材料的研究非常火熱,但是研究大多集中在材料的制備以及其光學(xué)性能上。*,隨著材料尺寸減小,納米材料具有更大的比表面積,而比表面積終在納米材料的物理化學(xué)特性(包括發(fā)光特性,載流子運(yùn)輸和催化特性等)中起著主導(dǎo)作用。表面活性劑是一種在IPNC合成過程中*的添加劑,它有助于提高分散穩(wěn)定性并控制生長(zhǎng)動(dòng)力,有利于器件制備;但同時(shí)也會(huì)影響成膜過程并阻礙顆粒之間的載流子傳輸,其影響在一定程度上甚至決定了IPNC的物理化學(xué)特性。

南京理工大學(xué)曾海波教授課題組報(bào)道了一種有趣的全無機(jī)鈣鈦礦表面化學(xué)現(xiàn)象,即可循環(huán)的溶解-重結(jié)晶,通過室溫(RT)下的自我修復(fù),為光電設(shè)備構(gòu)建緊湊而平滑的載流子通道。

首先,根據(jù)溶解度平衡原理,通過用極性溶劑洗滌或在室溫下借助表面活性劑攪拌,將CsPbBr3晶體尺寸可逆地調(diào)整在10 nm–1 µm的范圍內(nèi)。然后在薄膜內(nèi)形成液體環(huán)境,這種液體環(huán)境可以將表面和尖銳部分的物質(zhì)輸送到縫隙中并在RT下自我修復(fù),從而來提高薄膜質(zhì)量。該方法可產(chǎn)生大面積,無裂紋,低粗糙度的鈣鈦礦薄膜。測(cè)試顯示相應(yīng)PD的性能得到大幅提升,從而證明了該方法促進(jìn)了器件通道中載流子的運(yùn)輸和提取。

經(jīng)過處理的鈣鈦礦薄膜的光電探測(cè)器(PD)表現(xiàn)出更高的響應(yīng)度,更快的響應(yīng)速度(上升和衰減時(shí)間分別為1ms、1.8 ms),同時(shí)穩(wěn)定性也更好。 

 

在10V的偏壓下,基于經(jīng)過處理的CsPbBr3薄膜的PD的響應(yīng)度從0.024A/W提高到0.176A /W,增加了七倍以上。同時(shí)在不同偏壓下測(cè)試了EQE,驗(yàn)證光生載流子利用效率。隨著施加偏壓的增加,在531 nm處的大EQE值也隨之增加,在10 V時(shí)達(dá)到41%;該值比未處理器件的EQE值高得多。這種大約七倍的增加與響應(yīng)性結(jié)果一致,表明光生載流子的損失減少。

  

(基于未經(jīng)處理和經(jīng)過處理的CsPbBr3薄膜的PD在不同偏壓下的EQE光譜)該論文采用卓立漢光DSR探測(cè)器光譜響應(yīng)度測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了PD的EQE光譜。

結(jié)論

本文中,曾海波教授課題組報(bào)道了一種室溫可回收的、微觀自愈行為的鹵化物鈣鈦礦材料,由于表面活性劑和極性溶劑的影響,材料可形成循環(huán)的溶解-重結(jié)晶過程,這種制備方法應(yīng)用到不同類型的鈣鈦礦制備工藝?yán)?。該方法在甲苯與乙醇的混合溶液室溫環(huán)境下進(jìn)行,緊湊光滑載體可以形成器件通道,從而提高效率光生載流子的傳輸和提取速度。因此,經(jīng)過處理的鈣鈦礦材料展現(xiàn)出優(yōu)良的性能,如高響應(yīng)、EQE、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。通過本文的研究,可以科學(xué)工作者提供簡(jiǎn)單易行的方案制備各種無機(jī)鹵化物鈣鈦礦裝置,尤其是為氟化硅器件提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

 

這一成果近期發(fā)表在Advanced Functional Materials上,該文章是由南京理工大學(xué)曾海波課題組完成。

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