Advanced Materials:稳定性超过一年的钙钛矿微米线光电探测器

具有结构通式为ABX3的有机-无机杂化钙钛矿材料具有窄的光学带隙、可见光范围内较高光吸收系数、长载流子寿命、扩散长度和低激子结合能等优点,近年来引起了人们广泛的研究兴趣。由于这些优越的光电性质,钙钛矿材料在各种光电子器件中取得了非常惊人的进展。然而,这些有机无机杂化钙钛矿材料自身的不稳定性却是阻碍这些器件投入实际应用的一个重要因素。具有高结晶质量的一维钙钛矿微/纳米线晶体相比于薄膜形态,由于较少的晶界和较低的缺陷态密度,因而具有更好的稳定性。但是对于实际应用来说,一维钙钛矿微/纳米线晶体的稳定性仍然需要进一步地提高。

吉林大学夏虹教授、沈亮教授和孙洪波教授针对这一问题,提出了一种具有高稳定性的钙钛矿微米线晶体阵列的制备方法。利用模板上的疏水层对所制备的晶体形成了一个原位保护层,从而保证了晶体自生长完成就与空气中的水氧隔绝,大大提高了所得到的微米线晶体阵列对空气中水氧的稳定性。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202001998)上。

空气中水氧导致的不稳定性被认为与晶体中的晶界和缺陷有关,因此提高稳定性的第一个关键步骤是提高晶体的质量,减少晶界和缺陷。当晶体中的晶界和缺陷很少时,将晶体与空气中水氧隔离,可以进一步减少水氧导致的降解。在高的结晶质量和有效的隔绝作用下,钙钛矿晶体的质量将会得到大幅度的提高。当晶体生长完成之后,再利用后续手段对晶体进行隔离保护,依然不可避免地使晶体在此过程中受到水氧的侵害。该团队提出的微米线制备方法,首先利用模板的限制作用对晶体的生长进行了调控,得到了具有高结晶质量的微米线晶体阵列;同时,模板上的疏水分子层,不仅在晶体生长过程中,对晶体具有保护作用,在晶体生长完成后也被转移到了晶体表面,形成了一个原位保护层,避免了后续处理过程中对空气中水氧的暴露。由于具有高结晶质量和原位封装保护层,该团队所制备的MAPbBr3微米线晶体阵列具有非常优异的稳定性,在空气中暴露480天后,XRD衍射峰没有发生变化。同时,利用这种微米线晶体阵列制备的光电探测器,不仅具有高性能,同时也具有非常好的稳定性:器件在空气中暴露三百多天后,对同一探测光的响应光电流依然能保持为最初的96%。这种方法为提升钙钛矿材料的稳定性提供了一个新思路。