中科院物理所孟庆波Adv. Funct. Mater.: 绝缘氧化物基钙钛矿晶体用于高效薄膜光电探测器

【引言】

有机-无机混合钙钛矿因其出色的光电性能广受学者关注，材料中载流子的产生、输运和再结合过程会直接影响器件的性能。因此，人们想通过提高钙钛矿晶体质量和减少缺陷来提高载流子寿命和扩散长度。目前已有的手段大多集中在研究钙钛矿材料本身，其实界面间相互反应过程对于钙钛矿晶体形核、生长、缺陷性能有重要影响，然而大家对此并没有一个清楚的认知。

【成果简介】

近日，中科院物理所孟庆波教授（通讯作者）等人在不同基体上制备了钙钛矿晶体，并用光致发光PL谱研究了基体上的界面反应对钙钛矿晶体生长的影响，相关成果以题目“High Quality Perovskite Crystals for Efficient Film Photodetectors Induced by Hydrolytic Insulating Oxide Substrates”发表于期刊Adv. Funct. Mater. 。通过在Al₂O₃基体上制备(FA,MA)Pb(I,Br)₃钙钛矿晶体薄膜，表征该薄膜材料的光电学及半导体特性，且测试了由该材料制成的光电探测器件。该研究表明使用水解绝缘氧化物基体制备的钙钛矿晶体材料，具有良好的晶体学特性，呈现出长扩散长度，高载流子寿命等优异特性，具有极大的应用潜质。

【图文导读】

图1 不同基体上热处理前和热处理后晶体的SEM图和晶体大小分布直方图

（a）生长在石英玻璃基体上的钙钛矿晶体热处理前的SEM顶视图

（b）生长在玻璃/氧化铝基体上的钙钛矿晶体热处理前的SEM顶视图

（c）生长在石英玻璃基体上的钙钛矿晶体热处理前晶体大小分布直方图

（d）生长在石英玻璃基体上的钙钛矿晶体热处理后的SEM顶视图

（e）生长在玻璃/氧化铝基体上的钙钛矿晶体热处理后的SEM顶视图

（f）生长在玻璃/氧化铝基体上的钙钛矿晶体热处理前晶体大小分布直方图

图2 实验晶体生长装置及生长情况和光致发光谱

（a）MAPbBr₃单晶在不同基体上生长示意图

（b）MAPbBr₃单晶照片（玻璃尺寸5 × 1.5 cm²）

（c）MAPbBr₃单晶晶体大小统计图（内插：从基体上剥下来的单晶体）

（d）基体和晶体的光致发光（PL）衰减曲线（内插：晶体典型光致发光曲线）

 图 3 ALD-Al₂O₃形成和钙钛矿与其成键示意图

（a）ALD沉积Al₂O₃基体示意图

（b）沉积后Al₂O₃基体示意图

（c）钙钛矿晶格和基体间原子间相互作用示意图

图 4 混合(FA,MA)Pb(I,Br)₃钙钛矿瞬态光致发光谱

（a）在石英基体（黑线）和在ALD-Al₂O₃基体（红线）上生长的混合(FA,MA)Pb(I,Br)₃钙钛矿薄膜光致发光谱

（b）在不同基体上生长的钙钛矿薄膜的光致发光衰减曲线

（c）模拟的载流子扩散长度和载流子寿命之比τ_spiro/τ_pero与载流子扩散长度的关系

 图 5 载流子浓度分析

（a）不同(FA,MA)Pb(I,Br)₃钙钛矿晶体薄膜的光致发光强度和光生载流子密度。实线为缺陷密度模型的数值拟合

（b）低泵光强度下钙钛矿薄膜稳态光致发光放大自发发射谱(ASE)

（c）高泵光强度下钙钛矿薄膜稳态光致发光放大自发发射谱(ASE)

 图 6 不同基体上MAPbI3钙钛矿晶体薄膜15 到 280 K的光致发光谱等值线图

（a）生长在玻璃基体上的MAPbI₃钙钛矿晶体薄膜随温度变化的稳态光致发光谱等值线图

（b）生长在ALD-Al₂O₃基体上的MAPbI₃钙钛矿晶体薄膜随温度变化的稳态光致发光谱等值线图

图7 随温度变化而变化的MAPbI₃钙钛矿薄膜晶体光致发光谱强度和光谱半高宽

（a）随温度变化而变化的钙钛矿薄膜晶体光致发光光谱强度。实线为拟合曲线

（b）随温度变化而变化的钙钛矿薄膜晶体光致发光光谱半高宽。实线为拟合曲线

 图8 由混合(FA,MA)Pb(I,Br)₃钙钛矿薄膜制成的横向结构光电探测器形貌和性能

（a）由混合(FA,MA)Pb(I,Br)₃钙钛矿薄膜制成的横向结构光电探测器光学显微镜下图片

（b）黑暗中横向结构光电探测器随电压变化而变化的光响应电流

（c）1 and 100 mW cm⁻²光照下横向结构光电探测器随电压变化而变化的光响应电流

【小结】

该工作证实了一种简单有效的提高钙钛矿单晶和薄膜质量的方法，即通过在水解绝缘氧化基体上制备材料，利用基体与材料界面的强相互作用促进了晶体生长。根据一系列的光致发光谱分析，薄膜材料中的缺陷浓度被显著降低了。其次，该方法也降低了晶粒边界，提高了晶体有序度并改良了界面上原子成键。将钙钛矿薄膜应用到光电探测器上，使其展现出了更优异的光电响应特性和探测能力。该方法对不同成份的钙钛矿单晶和薄膜具有普适性，有利于钙钛矿材料在光电探测器件中的进一步应用。

文献链接：High Quality Perovskite Crystals for Efficient Film Photodetectors Induced by Hydrolytic Insulating Oxide Substrates（Adv. Funct. Mater., 2018 , DOI: 10.1002/adfm.201705220）

本文由材料人编辑部小斯同学编译，刘宇龙审核，点我加入编辑部大家庭。

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