Small Methods: 新型二维钙钛矿——(C6H5C2H4NH3)2PbI4

近年来,有机-无机杂化卤素钙钛矿材料在光伏和光电领域引起了研究者的广泛关注。基于液相制备的有机-无机杂化卤素钙钛矿太阳能电池的能量转换效率现如今已突破22%。随着研究的推进,二维钙钛矿材料由于具有特殊的结构特性和优异的光学特性正成为钙钛矿材料的一个研究热点。三维钙钛矿结构为ABX3型(其中A为单价阳离子,B为双价阳离子,X为卤素离子),通过将三维钙钛矿中的A位离子替换成有机大尺寸离子,能使得原来在三维方向拓展的铅卤素八面体被这些有机大尺寸离子隔离,从而形成有机/无机层相互交替的特殊层状结构。其中铅卤素八面体层被夹在有机层中间而形成周期重复单元,这些重复单元在垂直方向上以范德华作用堆叠。

二维钙钛矿是天然的多量子阱结构,因而具有区别于三维钙钛矿的光学和电学性能。由于单层铅卤素八面体层被夹在绝缘有机层之间,二维钙钛矿具有极强的量子限域效应,这使其具有较高的荧光效率。此外,这种天然的二维层状结构使其具有自发各向异性生长的特性,因而有望实现一系列原子尺寸薄的二维晶体。优异光学性能和超薄特性使得二维钙钛矿在横向结构和垂直异质结结构的光电器件中具有非常广泛的应用前景。

然而,相对于三维钙钛矿,二维钙钛矿的研究还处于初期探索阶段,合成方法和基础研究的相关报道相对较少。为此,来自佛罗里达国际大学的Wenzhi Li教授与休斯顿大学的Yan Yao教授和Jiming Bao教授以及橡树岭国家实验室的Kai Xiao教授合作,发表了题为Synthesis and Photoluminescence Properties of 2D Phenethylammonium Lead Bromide Perovskite Nanocrystals的研究论文。该论文合成了一种新型二维钙钛矿纳米晶,并深入研究了其结构特性和光学特性。该论文发表在Small Methods期刊上。

作者采用液相法合成了一种新型二维钙钛矿-(C6H5C2H4NH3)2PbI4, 该方法采用苯乙胺作为有机大离子,成功在SiO2/Si衬底上合成均匀且高度结晶的方形二维钙钛矿纳米晶。研究指出超过半数的二维钙钛矿纳米晶厚度少于30层,仅有2%的纳米晶厚度超过50层。作者还发现在这些二维钙钛矿纳米晶表面会形成特殊的金字塔形阶梯结构,阶梯的高度比相应的块体材料中二维铅卤素八面体层间距略大,这揭示了二维钙钛矿特殊的生长特性。

该项工作进一步研究了二维纳米晶的光学特性。该研究指出,二维钙钛矿纳米晶相对于其块体材料具有接近40 meV的荧光蓝移,这种禁带宽度宽化可能是因为纳米晶中的

Pb-Br-Pb键相对于块体有一定的驰豫。研究发现二维纳米晶的光谱图具有两个新荧光峰(480 nm和525 nm)和一个荧光肩峰(448 nm)。通过光学表征,作者发现随着纳米晶层数的增加,两个荧光峰逐渐减弱且宽化,而荧光肩峰则在较厚的纳米晶中完全消失。这些新的荧光峰可能是由二维钙钛矿和有机组分之间的能量转移引起的。二维钙钛矿纳米晶的光学表征进一步验证了其优异的光致发光性质。该项工作合成的新型二维钙钛矿纳米晶和基础光学研究对后续二维钙钛矿研究提供了重要的参考和指导。