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性能稳定性超过1年的钙钛矿单晶微米线阵列光电探测器

近年来,有机无机杂化钙钛矿材料由于其优越的光电性质被广泛地应用于各种光电器件中,并取得了巨大的进展。相比于其多晶薄膜形态,钙钛矿一维结构具有许多优点,例如更大的载流子迁移率、更高的光致发光量子产率和更长的载流子扩散长度,使其在基础研究和器件应用中具有广泛应用。然而,钙钛矿材料本身对水氧的不稳定性是制约这些光电子器件实际应用的一个重要因素。虽然将钙钛矿制备成高结晶质量的一维微米/纳米线结构有助于提高稳定性,但是对于实际应用来说,它们的稳定性仍然需要进一步的改善。


近日,吉林大学夏虹教授(点击查看介绍)和沈亮教授(点击查看介绍)与清华大学孙洪波教授(点击查看介绍)团队,提出了一种疏水分子原位封装的方法来进一步提升了钙钛矿微米线的稳定性。他们通过模板限制的方法来制备了有机无机杂化钙钛矿MAPbBr3微米线晶体阵列。所制备的微米线晶体结构均匀且高度对齐,形状可设计。由于在晶体生长过程中,模板上的疏水分子转移到了晶体表面将晶体与空气中的水氧隔离,晶体在生长完成的那一刻就被保护起来。此外由这种方法制备的晶体具有高结晶质量,有效地降低了晶界和缺陷密度,非常有利于提高钙钛矿晶体的稳定性。在空气中暴露480天后,微米线晶体阵列的XRD峰仍没有出现新峰,相比于薄膜形态,稳定性大幅度提高。基于这种微米线晶体阵列的光电探测器,不仅具有高性能(响应率高达20 AW-1,探测率高达4.1×1011 Jones),而且具有很好的稳定性。在空气中放置一年左右,光电流仍能保持为原来的96%,这是目前报道的最稳定的钙钛矿光电探测器。

MAPbBr3微米线晶体阵列的基本表征


从荧光显微镜图片可以看出,所制备的MAPbBr3微米线晶体阵列发光均匀,且线条之间没有残留层。SEM图和TEM图进一步展示了这些微米线晶体具有均匀完好的形貌,并且这些微米线晶体是高度对齐的。由于线条的排列形状是由模板结构决定的,因此通过模板就可以轻松地获得不同形状的微米线,例如图中所展示的曲线形状的微米线晶体阵列。

MAPbBr3微米线晶体阵列在空气中暴露480天前后的XRD表征


晶体由于有表面疏水层的原位保护,因此具有非常好的稳定性。对比在空气中暴露480天前后的XRD图发现,MAPbBr3微米线晶体阵列在空气中暴露480天后,仍然具有很好的结晶性且没有出现其他由于降解带来的峰。而薄膜样品在同样的保存条件下,XRD图则出现了明显的新峰。

光电探测器的光电流随暴露时间的变化


同样地,基于这种MAPbBr3微米线晶体阵列的光电探测器具有优越的稳定性。在空气中暴露300多天后,在同一光强下的光电流依然保持为最初的96%左右;在相对湿度为60%的环境中暴露12天光电流保持为最初的96%。


这种钙钛矿微米线结构制备流程简单,且稳定性有大幅度提高,因而有望应用到商业化大面积的制备中。同时,这种疏水分子原位保护层的稳定性提高手段,为钙钛矿器件的稳定性提供新的途径和手段。相关论文发表于Advanced Materials,第一作者为吉林大学电子科学与工程学院博士生李顺心


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Perovskite Single-Crystal Microwire-Array Photodetectors with Performance Stability beyond 1 Year

Shun-Xin Li, Yi-Shi Xu, Cheng-Long Li, Qi Guo, Gong Wang, Hong Xia, Hong-Hua Fang, Liang Shen, Hong-Bo Sun

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202001998


研究团队简介


吉林大学超快光电技术中心由孙洪波教授建立于2005年,十余年来聚焦于利用超快激光技术制备和表征高性能、特种光电器件,到目前发表高水平学术论文400余篇,被Nature、Laser focus world等国际知名学术杂志和网络专题介绍150余篇次。实验室成员3人获国家杰出青年基金、3人获国家优秀青年基金资助,学生获全国百篇优秀优秀博士论文以及学会优博称号10余人,详细成果建实验室主页介绍(http://www.lasun-jlu.cn/  )。


在电泵、光泵有机晶体光电子器件方面,近期主要成果包括:

1. Ding R, An MH, Feng J and Sun HB, Organic single-crystalline semiconductors for light-emitting applications: recent advances and developments, Laser Photon. Rev. (2019).

2. Ding R, Dong FX, An MH, Wang XP, Wang MR, Li XB, Feng J and Sun HB, High-color-rendering and high-efficiency white organic light-emitting devices based on double-doped organic single crystals, Adv. Funct. Mater. 29, 1807606 (2019).

3. Ding R, Wang XP, Feng J, Li XB, Dong FX, Tian WQ, Du JR, Fang HH, Wang HY, Yamao T, Hotta S and Sun HB, Clarification of molecular doping mechanism in organic single-crystal semiconductors and their applications in color-tunable light-emitting devices, Adv. Mater. 30, 1801078 (2018).

4. Ding R, Feng J, Dong FX, Zhou W, Liu Y, Zhang XL, Wang XP, Fang HH, Xu B, Li XB, Wang HY, Hotta S and Sun HB, Highly efficient three-primary-color organic single-crystal light-emitting devices with balanced carrier injection and transport, Adv. Funct. Mater. 27, 1604659 (2017).


导师介绍

夏虹

https://www.x-mol.com/university/faculty/75795

沈亮

https://www.x-mol.com/university/faculty/75780

孙洪波

https://www.x-mol.com/university/faculty/60750


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