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石墨烯助力二维钙钛矿单晶光电器件

注:文末有研究团队简介及本文科研思路分析


有机-无机杂化型钙钛矿材料在光电器件方向极具应用前景,近年来被广泛地展开研究,例如太阳能电池、发光二极管、光电探测器等。最近的研究工作,特别是2015年杨培东课题组通过液相法成功制备出室温下具有强荧光的二维层状晶体(C4H9NH3)2PbBr4,使得二维钙钛矿单晶材料迅速成为研究热点(Science, 2015, 349, 1518)。二维有机-无机杂化钙钛矿单晶材料如此优异的性质,既源于无机成分提供的高载流子迁移率和宽的带隙范围,又归功于有机部分提供的结构差异、高效发光等性能。此外,二维层状钙钛矿晶体是拥有高态密度的直接带隙半导体,并已呈现丰富的光学性质,例如深蓝色发光、激子效应、高吸收率等。此外,相比于传统的多晶钙钛矿薄膜,二维单晶钙钛矿缺陷更少,因此载流子扩散长度显著增加。这种液相制备的钙钛矿晶体很可能将在微纳光电器件具有显著的光学和电学性质。但是,二维层状钙钛矿在一些溶剂(丙酮或者水)中极不稳定,单个二维钙钛矿晶体微纳器件还尚未制备成功。因此,如何克服钙钛矿材料的不稳定性和设计二维单晶钙钛矿器件加工工艺是亟待攻克的难题。北京大学彭海琳点击查看介绍教授、刘忠范点击查看介绍院士团队一直致力于石墨烯及其他新型二维材料的制备、物性与应用等相关研究。近日,彭海琳教授团队与刘忠范院士团队合作,利用单层石墨烯单晶作为二维钙钛矿的封装保护材料和透明电极,成功制备出第一个二维单晶钙钛矿光电探测器(图1)。在此基础上,作者设计石墨烯叉指电极,使得二维钙钛矿(C4H9NH3)2PbBr4光电探测器件的性能得到了极大的提升,暗电流极低(~0.1 nA),电流开关比高(10的3次方),并实现高达2100A/W的光电响应度(图2)。

图1 二维钙钛矿单晶的结构及经石墨烯电极封装的光电器件制备


二维钙钛矿单晶材料自2015年通过液相法成功合成以来,理论和实验上均已证明其良好的光学性质,却受制于器件加工时遇到的稳定性问题,无法实现微纳器件的加工和应用。而本文的研究团队利用石墨烯单晶的不通透性和封装能力,覆盖在二维钙钛矿单晶上,即可以作为柔性透明电极,又能克服了在微纳器件加工中的不稳定性难题,创造性地设计了二维钙钛矿单晶器件的加工工艺。随着研究工作的深入展开,作为二维半导体家族的新成员,相信二维钙钛矿单晶材料将会在光电子应用领域展现越来越多的潜力。

图2 对石墨烯叉指电极器件的光电性质表征


这一成果近期发表在《Journal of the American Chemical Society》上,文章的共同第一作者是北京大学博士研究生谈振军以及北京大学本科生吴越,共同通讯作者为彭海琳教授与刘忠范院士。


该论文作者为:Zhenjun Tan, Yue Wu, Hao Hong, Jianbo Yin, Jincan Zhang, Li Lin, Mingzhan Wang, Xiao Sun†, Luzhao Sun, Yucheng Huang, Kaihui Liu, Zhongfan Liu, Hailin Peng

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Two-Dimensional (C4H9NH3)2PbBr4 Perovskite Crystals for High-Performance Photodetector

J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 16612-16615, DOI: 10.1021/jacs.6b11683


彭海琳教授简介


彭海琳,北京大学化学与分子工程学院教授和课题组长。吉林大学学士(1996-2000年),北京大学博士(2000-2005年),斯坦福大学博士后(2005-2009年)。2009年6月到北京大学工作至今,一直从事物理化学与新能源纳米技术研究,当前研究兴趣包括石墨烯、拓扑绝缘体和层状硫族半导体等二维材料的制备方法、化学调制与光电器件应用基础研究。已发表SCI收录论文110余篇,影响因子超过7的论文80余篇,包括Nature子刊(11篇)、J. Am. Chem. Soc.(10篇)、Nano Lett.(21篇)、Adv. Mater.(8篇)、Phys. Rev. Lett.(1篇)、ACS Nano(9篇)、Acc. Chem. Res.(1篇)、Coord. Chem. Rev.(1篇),Nano Today (1篇),论文被他引逾7000次,单篇最高他引2500余次;申请和授权专利15项。2011年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”,2012年获批国家首批优秀青年基金,2012年入选中组部“万人计划”首批青年拔尖人才,2014年获霍英东教育基金会青年教师基金,2014年任国家973计划青年科学家项目首席科学家,2015年获国家杰出青年科学基金。近5年来,在国际及双边重要学术会议上做邀请报告40余次,筹划和组织国际和双边会议6次。担任中国化学会纳米化学专业委员会委员、青年化学工作者委员会委员、北京市石墨烯科技创新专项技术咨询专家委员会专家、中国石墨烯标准化委员会委员、中关村石墨烯产业联盟专家委员会秘书长、《中国科学:化学》青年编委和《科学通报》编委。


刘忠范院士简介

刘忠范,中国科学院院士、北京大学化学分子工程学院教授、博士生导师。1983年7月毕业于长春工业大学化学工程系,1987年3月获日本横滨国立大学硕士学位,1990年3月获东京大学博士学位。1997年获香港求是科技基金会杰出青年学者奖。2005年获中国分析测试协会科学技术一等奖,2007年获高等学校科学技术奖自然科学一等奖,2008年获国家自然科学二等奖,2012年获中国化学会—阿克苏诺贝尔化学奖,2012年获宝钢优秀教师特等奖。发表SCI学术论文500余篇,包括Nature,Nature Mater.,Nature Commun.等。主要研究方向:1) 纳米碳材料和二维原子晶体材料的CVD生长方法;2) 碳材料化学;3)新型纳米光电器件与可穿戴技术。担任物理化学学报主编、化学学报副主编、科学通报副主编、APL Materials副主编以及Adv. Mater., Small, Nano Res., Natural Science Review, Chem Nano Mat, NPG Asia Materials, J. Photochem. Photobiol. C Phtotochem. Rev.等国际期刊编委或顾问编委。


科研思路分析

Q:这项研究的最初目的是什么?或者说想法是怎么产生的?

A:我们的课题组一直致力于高质量石墨烯以及其他新型二维材料的生长制备、基本物性以及器件性能研究。二维钙钛矿单晶和石墨烯单晶都是很好的二维材料,但展现的物理化学性质却截然不同。二维钙钛矿杰出的光学性质吸引国际上很多研究者想对其进行深入的应用研究和探索。而针对二维钙钛矿稳定性差的问题,我们自然而然地想到利用封装效果好、化学稳定性强又能充当高性能柔性透明电极的石墨烯来尝试解决这一问题。


Q:本项研究成果最有可能的重要应用有哪些?哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助?

A:我们希望我们的工作能对石墨烯及钙钛矿材料的器件应用研究有所帮助和启发。


导师介绍

刘忠范

http://www.x-mol.com/university/faculty/8703

彭海琳

http://www.x-mol.com/university/faculty/8679


X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714


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