Small Structures:钙钛矿纳米异质结的合成/结构/性质及展望

近年来,人们对钙钛矿半导体材料的研究兴趣迅速增长。在化学、物理、材料、电子学等专业领域的研究人员共同努力下,许多基于钙钛矿半导体材料的记录,如钙钛矿太阳能电池的效率等不断被刷新;其在光伏/光电器件、催化、传感、生物等领域的新应用也不断涌现。其实现基础不仅源于钙钛矿自身的优良性能,在很多情况下也来源于钙钛矿-异质材料构成的复合材料体系的性质,即基于钙钛矿的异质结。在纳米尺度上,钙钛矿异质结的性质具有高度的可设计性和可调控性,可通过对钙钛矿的组分、晶体结构、尺寸、异质结的形貌与拓扑特征、以及最为重要的异质结能级结构的设计来实现。清华大学王训教授和南京师范大学徐翔星教授研究团队发表了关于钙钛矿纳米异质结的综述。

本综述归纳了钙钛矿纳米异质结的三类制备策略:先合成钙钛矿再生长异质材料形成异质结,也可与之相反;采用一步法直接合成;对前驱材料进行光、热、电、离子交换、化学反应等处理,使之转化为异质结。

根据钙钛矿异质结的尺度特征将其分成四类:宏观尺寸钙钛矿异质结;纳米钙钛矿-宏观异质材料异质结,其中异质材料可以是无机晶体、有机晶体、金属有机骨架、氧化物、玻璃、聚合物等;宏观钙钛矿-纳米异质材料异质结;纳米钙钛矿-纳米异质材料异质结,包括0D、1D、2D等纳米形貌的各种组合结构,也包括含亚纳米尺度结构如一个晶胞或以下尺度结构的薄层、单分子层所构成的异质结。

详细讨论了钙钛矿纳米异质结的三类能级结构(电子结构):钙钛矿-绝缘体型、钙钛矿-导体型、钙钛矿-半导体型。能级结构在很大程度决定了钙钛矿异质结的物理性质,如第一类/第二类半导体异质结、梯度能级异质结、钙钛矿同质结、局域表面等离子体共振相关效应、异质结界面电荷分离/复合性质、界面电化学反应等。对由钙钛矿与有机半导体材料构成的异质结,讨论了钙钛矿与LUMO/HOMO、三线态间的能量转移特点。此外,还讨论了钙钛矿异质结中真空能级与费米能级拉平、缺陷工程、尺度与拓扑工程、界面分子工程(如功函数的偶极矩调控、2D钙钛矿的层间分子功能化)、热载流子提取等研究热点。

最后,指出了钙钛矿纳米异质结的可控合成、自组装、表征方法中存在的挑战及相关研究方法,为进一步研究其性质、开发新的应用提供了思路。本综述发表在了Small Structures(DOI:10.1002/sstr.202000009)上。