基于一种新型纳米加工技术制备出的高质量钙钛矿周期性纳米结构

近几年,以CH3NH3PbI3为代表的三维钙钛矿成为光电器件领域最热门的材料之一。其被广泛关注的原因在于它可被用于制备多种高效的光电器件,例如太阳能电池、发光二极管、激光、光探测器和晶体管。已报道的钙钛矿光电器件都是基于它的薄膜结构,然而钙钛矿的周期性纳米结构却鲜有报道。周期性纳米结构的半导体材料具有薄膜不可比拟的光学性质。例如,周期性纳米结构的半导体材料可被用于提高太阳能电池的光电转换效率和发光二级管的出光效率。值得注意的是水和高温(>150度)都容易使这类钙钛矿分解,从而影响其光电性能。也正因如此,用于常规无机半导体材料的纳米加工技术(例如光刻)很难用来制备钙钛矿纳米结构。

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图1. 制备出的750 nm周期的钙钛矿(CH3NH3PbI3)周期性纳米结构

香港大学电子与电机工程系蔡植豪教授课题组提出了一种新型的纳米加工技术来制备高质量钙钛矿周期性纳米结构(如图1)。这种新型纳米加工技术是基于化学反应导致的钙钛矿相变和纳米压印技术。该纳米加工技术的步骤(如示意图2)。 首先,将具有周期性纳米结构的聚二甲基硅氧烷模板放置在钙钛矿固体薄膜上。其次,引入无水的甲胺气体让其和钙钛矿反应生成液态的中间态(CH3NH3PbI3.CH3NH2)。该液态的中间态填补了聚二甲基硅氧烷模板的缝隙。接着升温器件而让甲胺气体跑掉,从而使液态的中间态转换回固态的钙钛矿。这样钙钛矿就保持了模板的周期性纳米结构。最后揭掉模板而得到钙钛矿周期性纳米结构。

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图2. 制备钙钛矿周期性纳米结构的示意图

通过X射线粉末衍射表征,利用上述纳米加工技术获得的钙钛矿纳米结构的结晶性比未进行纳米加工的薄膜更好。此外,该钙钛矿纳米结构呈现出与钙钛矿薄膜与众不同的光致发光角分布。钙钛矿薄膜呈现的是朗伯余弦分布,而钙钛矿周期纳米结构在0度角和±30度角有明显的光致发光增强现象。这个增强现象被归咎于周期性纳米结构使得钙钛矿里面的导模被耦合出来了。

在光电器件应用方便,基于钙钛矿纳米结构的发光二极管所呈现出的发光强度大约是薄膜器件的两倍。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201606525)上。