Advanced Optical Materials:微波生长具有高载流子迁移率的碳纳米管掺杂钙钛矿单晶

近年来,有机铅卤钙钛矿因为具有极优异的光电物理性质引起了人们极大的研究兴趣,例如可调性带宽,高光吸收系数,低载流子复合率,以及低成本溶液制备。广泛的研究使钙钛矿太阳能电池效率在过去十年间从3.9%急遽提升到25.2%。但是,钙钛矿材料的载流子迁移率与传统硅晶或是III-V族半导体相比仍然低得多。因此,有必要进一步提升钙钛矿的载流子迁移率以发展先进电子应用。

澳大利亚新南威尔斯大学吴韬教授团队发展出一种快速微波加热法以合成钙钛矿单晶,并且在单晶中加入一维半导体碳纳米管。微波合成透过共振直接均匀加热每个分子,因此所制备的钙钛矿单晶体大小分布均匀,可重复性高。此外,微波加热能够在一小时内快速合成单晶,比传统的热板加热法生长速度快非常多。所提出的微波生长法不仅适用生长高质量钙钛矿单晶,也促进钙钛矿掺杂应用。在这项工作中,吴教授团队研究了纳米碳管掺杂CH3NH3PbBr3钙钛矿单晶。一般而言,碳纳米管在加热过中容易聚集,在传统热板加热的长时间生长中难以实现均匀掺杂。这项工作透过快速微波合成法实现了碳纳米管均匀掺杂的毫米级CH3NH3PbBr3钙钛矿单晶。碳纳米管掺杂的钙钛矿单晶具有优异的光电性能。借助碳纳米管作为单晶中的超快速载流子传输通道,钙钛矿单晶的载流子迁移率从未掺杂的28 cm2 V−1 s−1大幅提升到298 cm2 V−1 s−1。不仅如此,在光探测器应用中,碳纳米管掺杂钙钛矿单晶器件具有破纪录的超快响应速度(5 ns),这在已知的钙钛矿光探测器件中是最快的。

此项研究为基于钙钛矿的光电研究提供一个新的方法。微波快速合成法能有助于制备均匀掺杂的钙钛矿单晶,此外,碳纳米管掺杂钙钛矿单晶能实现高载流子迁移率以及超快速光电探测。研究者相信,这项研究成果将促进钙钛矿材料在光电领域的进一步应用及快速发展。相关论文请参阅Advanced Optical Materials (10.1002/adom.202001740)。