Adv. Mater. ：实现高度有序3D钙钛矿纳米线阵列制备的新工艺

【引言】

纳米线（NWs）和纳米棒这类准一维（Q-1D）的半导体纳米结构，若将它们限制在其他二维结构中，会给材料内部的载流子及声子提供一维的传输通道。这种特性使得NWs可具备独特的电学与光学性质，从而在许多设备如晶体管、二极管、存储器和传感器中有着潜在的应用。另外，若将杂化钙钛矿这类具优异光学及电学性质的材料与NWs结合在一起，将会进一步促进光电设备的发展。但是，这类具高密度和几何高度可控性的钙钛矿NWs在生长工艺上依然是一个难题。

【成果简介】

近期，香港科技大学的Zhiyong Fan（通讯作者）等人在Adv. Mater. 上发表题为“3D Arrays of 1024-Pixel Image Sensors based on Lead Halide Perovskite Nanowires”的论文，该研究团队首次通过特殊的气-固-固相反应（VSSR）过程成功在纳米工程模板上制备出大尺寸，高度有序的3D钙钛矿纳米线（NW）阵列。此方式将材料固有的性质与NW阵列的高密度集成性结合在一起，推进其在3D的集成纳米电子/光电工程上的应用。并利用此项技术装配成具1024像素的图像传感器，进一步证实此工艺有着广阔的应用前景。

【图文导读】

图一、3D钙钛矿NW阵列的结构图

(a) 32×32 MAPbI3 NW图像传感器的层层堆积结构

(b) 协助垂直排列、高密度的MAPbI3 NW 阵列生长的PAM模板示意图：b1)NW生长前PAM里的Pb。b2) PAM中的局部MAPbI3 NW生长。b3)PAM内完成生长的MAPbI3 NW。

图二、MAPbI3 NW的表征

(a) NW生长前PAM内的Pb的BSE图像

(b)和(c)分别为生长过程完成后，PAM内的MAPbI3 NW的截面图与俯视图

(d) NW生长前（黑色曲线）、10 min后（蓝色曲线）及1h后（黑色曲线）PAM的XRD图谱

(e)PAM中生长的MAPbI3 NW阵列的PL（绿色曲线）和UV-vis（紫色曲线）。内嵌图：内部NWs和PAM计算得到的光发布图。

图三、MAPbI3 NW的性能测试

(a) 性能测试装置图示

(b) 不同光照强度（白光）下的I-V曲线。内嵌图：黑暗条件及零误差下，单像素设备的能带结构

(c) 不同光照强度（白光）曝光下的电流强度

(d) +0.3V偏压响应率及灵敏度的测量

(e) 0.1 Hz(e1)和1Hz(e2) 开关频率下对白光(4.6 mW cm-2)的光敏反应。

(f) +0.3V偏压和白光(4.6 mW cm-2)下的响应时间分析

图四、由MAPbI3 NW组装的图像传感器性能测试

(a) 安装在印刷电路板的图像传感器照片

(b) 测试装置图示

(c) 字母“H”的原图及设备反映图

(d) 心形图案的原图及设备反映图

五、柔性NW阵列图像传感器的录像采集功能测试

(a) 虚线箭头表示了一个光斑的移动路线

(b) 光斑沿着移动路线行驶了一半的路程

(c) 安装在PCB上用于测量的完曲的柔性传感器设备的照片

(d) 在弯曲的图像传感器上的圆形图案的图片及其投影图

(e) 校正后得到的圆形图案的图片

【小结】

利用气-固-固相反应（VSSR）过程可在PAM模板上制备出大尺寸，高密度的3D MAPbI3 NW阵列。这种高度规整有序的阵列结构使得每个独立的NWs都可以实现电学上的定址访问，确定其作为超大规模集成电路（VLSI）电子设备和光电设备的潜在应用。结合了钙钛矿材料优异的电学及光学性质，这种3D NW阵列必将在光电设备领域上发挥其广阔的应用前景，如太阳能电池、光电探测器和发光二极管等。相信在不久的将来，这种制作工艺的应用也会进一步拓宽新型多功能设备的设计。

文献链接：3D Arrays of 1024-Pixel Image Sensors based on Lead Halide Perovskite Nanowires（Adv. Mater.，2016，DOI：10.1002/adma.201601603）

本文由材料人编辑部电子电工学术组大黑天供稿，材料牛编辑整理。

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