Advanced Materials:超薄杂化钙钛矿纳米片的相和异质结构工程

2004年以来,以石墨烯、过渡金属硫化物为代表的二维原子晶体材料凭借其独特的光电特性引起了极大的关注。二维原子晶体材料是指厚度在原子层级别的晶体材料,具有超薄、柔性、高强度、易裁剪、能带可调、量子效应强等特点。因为纵向维度的极端限制,长程有序的晶体结构被破坏,二维材料表现出了很多与三维体材相异的特性,在新材料、新能源、新器件等方面受到广泛关注与研究。同时,钙钛矿类材料也是当今学术界和工业界的明星材料,从无机的铁电压电、高温超导、巨磁阻效应和固态离子电解质,到近年来炙手可热的有机无机杂化太阳能电池,钙钛矿都无所不在。由于杂化钙钛矿的组成及结构的灵活性和多变性,该类材料可以由多种不同类型的有机或无机离子组成,展现出许多优异的物理、化学性质和独特的功能特性,在能源、显示、信息、材料、催化、存储、传感等多个领域都大放异彩。

二维钙钛矿原子晶体材料即将钙钛矿材料减薄至原子级厚度,能将二维材料和钙钛矿晶体这两类新型功能材料的优势有效结合,既具有极小厚度的几何属性,又有超强量子效应,还保持优越的光电性能,展示新奇物理特性。因此,钙钛矿材料在二维尺度上的拓展,揭示关键材料的化学组成、晶体结构、纳米尺度与材料能级、光学性质、界面特性的关系,有利于开发新的材料领域和晶体类型,发现新的物理特性和器件机理,对制备功能化微纳器件都具有着重要的科学意义和应用价值。

西北工大黄维院士&南京工大王琳团队和合作者以超薄碘化铅纳米片为模板,采用两步法制备了多种杂化钙钛矿纳米片。该方法产量高,且不依赖于衬底类型,合成出的钙钛矿纳米片具有质量好、组分可调、规则形状等特点。通过控制有机阳离子的插入与脱离,在单一纳米片上可以实现碘化铅与不同钙钛矿之间的可逆转换。例如,PbI2纳米片与气相的MAI反应生成MAPbI3纳米片,该MAPbI3纳米片经过退火处理,可退变为PbI2纳米片,回收来的PbI2纳米片可以被重新利用,生长钙钛矿纳米片。此外,也可以通过有机阳离子替换,实现不同类型钙钛矿纳米片之间的种类切换。例如,通过控制反应条件,MAPbI3纳米片与气象FAI反应可以直接生成FAPbI3纳米片。基于两步法生长的钙钛矿纳米片,利用二维材料作为掩模板,可以对钙钛矿进行图案化处理,同时获得超薄碘化铅与钙钛矿纳米片的平面型异质结。结合钙钛矿纳米片与其他二维材料构筑垂直型异质结,能对材料的光电性质起到调制作用。例如,MoS2/MAPbI3之间形成的II型能带排列引起了MAPbI3纳米片的发光淬灭与寿命缩短。多种类杂化钙钛矿纳米片及其异质结的灵活设计与制备,有望促进二维材料新奇物理现象的发现,拓展钙钛矿材料在微纳光电器件领域的应用。

杂化钙钛矿纳米片的灵活设计与制备,及其与多种二维材料的结合,为在二维材料家族中发现新的物理性能和功能化应用提供了更多的可能性,同时也拓展了钙钛矿材料在可调谐微纳光电器件领域中的应用。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202002392)上。