Small Methods: 金属卤化物钙钛矿纳米线的可控制备与光子学应用

金属卤化物钙钛矿材料在光子器件领域有着广阔的应用前景。作为一类直接带隙半导体材料,金属卤化物钙钛矿具有带隙可调、光学增益高,光吸收系数大以及量子产率高等诸多优点,成为设计高性能光子器件的理想材料,并在激光器、光电探测、太阳能电池以及照明与显示等领域展现出了非常广阔的应用前景。各种形态的金属卤化物钙钛矿半导体材料的研究在近年来都有着大量的报道,如钙钛矿块体单晶、钙钛矿薄膜、量子点、纳米片等。相比于其它维度的结构材料(块体,薄膜,量子点等),一维纳米线具有高的结晶质量,定向的光传播,限域的载流子传输等特点和优点,有望在新型集成光电器件和系统构建方面发挥重要的作用。

湖南大学潘安练教授团队,长期致力于新型低维半导体纳米结构的可控生长和光电特性研究。针对金属卤化物钙钛矿纳米结构材料的研究瓶颈和应用优势,该团队近期在本领域取得了一系列重要的研究进展。在高质量薄膜器件制备方面,首次实现了金属卤化物钙钛矿材料在红外通讯波段的高性能光探测(Adv. Mater. 2017),并开发出柔性钙钛矿光探测器件(Adv. Mater. 2017);在低维钙钛矿结构光电特性研究方面,开发了基于单纳米结构的电致发光器件(ACS Nano 2017),并实现了钙钛矿纳米结构中载流子漂移的可视化观测研究(Nano Lett. 2018)。

特别是在钙钛矿纳米线研究方面,本团队首次利用气相生长途径,实现了高质量全无机钙钛矿纳米线的可控生长,并利用全组分可调,实现了多色的纳米光波导和可调谐纳米激光器的应用(ACS Nano 2017),并观察到高性能双光子纳米线激光(Nano Res. 2017)。同时发展了一套原子台阶引导的气相生长途径,实现了大面积宏观尺度长度的高质量钙钛矿纳米线阵列的可控制,并用在高性能的光电探测器件(J. Am. Chem. Soc. 2017)和波长可调谐纳米线激光器阵列上(ACS Nano 2018)的应用。

基于以上在低维半导体结构光电研究领域的长期积累和工作基础,最近潘安练教授团队结合国际研究动态,系统总结了金属卤化物钙钛矿纳米线可控制备及其在光子和光电子领域应用的研究最新进展。在本工作中,作者首先从液相法和气相法两个方面对钙钛矿纳米线的制备进行了重点的评述,同时对其他特殊方法诸如光诱导相变或离子交换等也进行了详细的讨论。接着作者评述了基于钙钛矿纳米线微腔激光器,及表面等离激元激光器的相关物性研究和器件应用。另外,作者还对当前钙钛矿纳米线在光探测器和太阳能电池应用方面的进展进行了详尽的论述。最后,基于对目前该领域研究工作的总结,作者指出了钙钛矿纳米线的制备与应用存在的挑战,并探讨了其在未来集成光子器件中的应用前景。

该综述文章“Controlled Synthesis and Photonics Applications of Metal Halide Perovskite Nanowires”Small Methods期刊在线发表 (DOI: 10.1002/smtd.201800294)。论文第一作者为张学红博士,潘安练教授为论文的通讯作者。

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