钙钛矿再登Science：具有高稳定性、高发光效率的MOF基无机钙钛矿

【研究背景】

卤化铅钙钛矿（LHPs）表现出可调谐带隙、高电荷载流子移动性和明亮的窄带光致发光（PL），与传统的硅基和二元II-VI、III-V和IV-VI半导体材料相比，这些材料可以为光电子应用提供优势。尤其是在太阳能电池、发光材料、传感器以及光催化领域均具有很强的应用前景。这些特点有望使得该系列材料超越传统的基于硅以及双元素半导体材料在光电器件领域实现大规模的广泛应用。然而，目前的铅卤素钙钛矿尤其是纯无机体系的半导体材料仍然面临着稳定性、缺陷控制及重金属环境毒性的问题亟待解决。例如在太阳能电池及红光LED领域常用的CsPbI₃材料对光照、水分子、极性有机分子、温度、氧气以及温度都很敏感。尤其是其具有光电活性的钙钛矿晶体相往往只存在于高温条件下，随着降温该种材料会自发地转变为非钙钛矿晶体相，从而丧失其功能性。因此，如何利用一种简便的方法来解决这一系列问题就成为了钙钛矿材料应用领域的关键瓶颈问题。

【成果简介】

近日，澳大利亚昆士兰大学侯经纬博士、王连洲教授联合来自巴黎大学、澳洲及欧洲同步辐射研究中心、利兹大学、英国剑桥大学Thomas D. Bennett教授和利兹大学Sean M. Collins教授等联合制备了一种基于金属有机骨架（MOF）玻璃和全无机钙钛矿的复合材料。研究人员利用传统的液相烧结技术加工了一系列的全新复合材料，证明了该种工业领域广泛应用的烧结技术可以适用于MOF玻璃及钙钛矿晶体这一全新的材料组合。可加工的复合材料对浸入水和有机溶剂以及暴露在热、光、空气和环境湿度中表现出很高的稳定性。光致发光至少比纯钙钛矿大两个数量级。玻璃在高激光激发下稳定钙钛矿，并且在浸水10000小时后仍保持约80%的光致发光。该文章近日以题为“Liquid-phase sintering of lead halide perovskites and metal-organic framework glasses”发表在知名顶刊Science上。

【图文导读】

图一、CsPbI₃ MOF玻璃复合材料的制备、晶体结构和光学性能

图二、液相烧结过程中CsPbI₃ MOF玻璃复合材料晶体结构和颗粒尺寸以及界面成键作用的变化

图三、300℃ 烧结的CsPbI₃ MOF玻璃复合材料微观尺寸的相分布

图四、CsPbI₃ MOF玻璃复合材料的稳定性和加工性能

【全文总结】

综上所述，通过液相烧结LHP和金属有机框架（ZIF）玻璃制造的一系列可扩展复合材料。具体来说，将混合物在不同温度（高达350℃）下烧结，然后在流动的氩气（Ar）下用液氮淬火（称为低温淬火）。所得复合材料，称为(CsPbI3 )_0.25 (agZIF-62)_0.75，显示出XRD特征与亚稳态γ-CsPbI3相一致，强度随着烧结温度的升高而逐渐增加，在烧结过程中观察到的重量损失可以忽略不计。玻璃充当LHP的基质，通过界面相互作用有效地稳定非平衡钙钛矿相。这些相互作用还会钝化LHP表面缺陷，并赋予明亮的窄带光致发光，具有宽色域，用于制造白色发光二极管（LED）。同时，可加工的复合材料对浸入水和有机溶剂以及暴露在热、光、空气和环境湿度中表现出很高的稳定性。光致发光至少比纯钙钛矿大两个数量级。玻璃在高激光激发下稳定钙钛矿，并且在浸水 10000小时后仍保持约80%的光致发光，具有良好的应用前景。

文献链接：Liquid-phase sintering of lead halide perovskites and metal-organic framework glasses (Science 2021, doi: 10.1126/science.abf4460)

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