Small:在薄层过渡金属碳化物MXene纳米片上原位生长钙钛矿纳米晶以实现高效能量转移

近年来,金属卤化物钙钛矿纳米晶引起了人们的广泛关注。钙钛矿纳米晶在室温条件下合成简便,产率高。此外,钙钛矿纳米晶还具有许多优点,如高荧光量子效率,窄带隙发射,在整个可见光区域可调的发光波长,优异的可见光响应和高的比表面积。得益于这些卓越的特性,钙钛矿纳米晶在光电子器件和光催化领域具有广阔的应用前景。由于纳米晶薄膜中存在大量晶界,极大地限制了电荷和能量转移,因此提高纳米晶界面的电荷或能量转移特性对于光电转换和光催化等应用是十分必要的。构筑基于钙钛矿纳米晶和二维材料的异质结是提高钙钛矿界面处电荷和能量转移的常用方法,此方法可极大提升钙钛矿纳米晶在光电子器件和光催化中的性能。然而,由于钙钛矿量子点和二维材料稳定存在的溶剂环境有较大的极性差异,合成此类异质结较困难。

在异质结中通常存在两种光生载流子传输机制,即电荷转移和能量转移。激发态的能量或带有激发能的电荷可穿越异质结界面,产生独特的物理特性。能量转移是决定异质结在激光器和光致发光应用中光致弛豫动力学的主导因素,而电荷转移在光电探测等光电器件中起主要作用。因此,探究异质结中光生载流子传输机制对实现此类异质结的实际应用具有极其重要的意义。

澳门大学、深圳大学与广东工业大学的科研工作者合作,运用溶液生长法在高导电的过渡金属碳化物MXene(Ti3C2Tx)纳米片上均匀地沉积了有机无机杂化钙钛矿纳米晶(MAPbBr3),合成出了一种新型异质结材料。研究表明,采用优化的混合溶剂配比是实现原位生长此类异质结的关键,所得复合材料兼具了钙钛矿材料强的可见光吸收性能与二维材料优越的导电性能。稳态荧光光谱和时间分辨荧光光谱显示,MAPbBr3/Ti3C2Tx异质结的荧光被猝灭,且其荧光寿命缩短,揭示异质结界面存在电荷或能量转移。为了探究异质结界面处的光生载流子传输机制是电荷转移和能量转移中的一种亦或是两种同时存在,该研究团队分别制备了以MAPbBr3/Ti3C2Tx异质结和纯Ti3C2Tx纳米片为活性材料的光电转换器件。测试表明,以MAPbBr3/Ti3C2Tx异质结为活性材料的单电子和单空穴器件都表现出明显的光电响应而以纯Ti3C2Tx纳米片为活性材料的光电转换器件都不具备光电响应。同时,以MAPbBr3/Ti3C2Tx异质结为活性材料的单电子器件比单空穴器件表现出更高的开关比。此外,该研究团队结合稳态,瞬态吸收光谱和异质结的能带排布,发现MAPbBr3/Ti3C2Tx异质结的界面处同时存在能量转移和电荷转移,其中电荷转移以电子转移为主。

本研究为卤化物钙钛矿/二维材料异质结的合成制备提供了有益的指导,并详细探究了MAPbBr3/Ti3C2Tx异质结界面处的光生载流子动力学过程,有望推动此类异质结在光电子和光催化等领域的大规模应用。相关论文在线发表在Small (DOI:10.1002/smll.201905896)上。