中科院物理所孟慶波Adv. Funct. Mater.: 絕緣氧化物基鈣鈦礦晶體用于高效薄膜光電探測器

【引言】

有機-無機混合鈣鈦礦因其出色的光電性能廣受學者關注，材料中載流子的產生、輸運和再結合過程會直接影響器件的性能。因此，人們想通過提高鈣鈦礦晶體質量和減少缺陷來提高載流子壽命和擴散長度。目前已有的手段大多集中在研究鈣鈦礦材料本身，其實界面間相互反應過程對于鈣鈦礦晶體形核、生長、缺陷性能有重要影響，然而大家對此并沒有一個清楚的認知。

【成果簡介】

近日，中科院物理所孟慶波教授（通訊作者）等人在不同基體上制備了鈣鈦礦晶體，并用光致發光PL譜研究了基體上的界面反應對鈣鈦礦晶體生長的影響，相關成果以題目“High Quality Perovskite Crystals for Efficient Film Photodetectors Induced by Hydrolytic Insulating Oxide Substrates”發表于期刊Adv. Funct. Mater. 。通過在Al₂O₃基體上制備(FA,MA)Pb(I,Br)₃鈣鈦礦晶體薄膜，表征該薄膜材料的光電學及半導體特性，且測試了由該材料制成的光電探測器件。該研究表明使用水解絕緣氧化物基體制備的鈣鈦礦晶體材料，具有良好的晶體學特性，呈現出長擴散長度，高載流子壽命等優異特性，具有極大的應用潛質。

【圖文導讀】

圖1 不同基體上熱處理前和熱處理后晶體的SEM圖和晶體大小分布直方圖

（a）生長在石英玻璃基體上的鈣鈦礦晶體熱處理前的SEM頂視圖

（b）生長在玻璃/氧化鋁基體上的鈣鈦礦晶體熱處理前的SEM頂視圖

（c）生長在石英玻璃基體上的鈣鈦礦晶體熱處理前晶體大小分布直方圖

（d）生長在石英玻璃基體上的鈣鈦礦晶體熱處理后的SEM頂視圖

（e）生長在玻璃/氧化鋁基體上的鈣鈦礦晶體熱處理后的SEM頂視圖

（f）生長在玻璃/氧化鋁基體上的鈣鈦礦晶體熱處理前晶體大小分布直方圖

圖2 實驗晶體生長裝置及生長情況和光致發光譜

（a）MAPbBr₃單晶在不同基體上生長示意圖

（b）MAPbBr₃單晶照片（玻璃尺寸5 × 1.5 cm²）

（c）MAPbBr₃單晶晶體大小統計圖（內插：從基體上剝下來的單晶體）

（d）基體和晶體的光致發光（PL）衰減曲線（內插：晶體典型光致發光曲線）

?圖 3 ALD-Al₂O₃形成和鈣鈦礦與其成鍵示意圖

（a）ALD沉積Al₂O₃基體示意圖

（b）沉積后Al₂O₃基體示意圖

（c）鈣鈦礦晶格和基體間原子間相互作用示意圖

圖 4 混合(FA,MA)Pb(I,Br)₃鈣鈦礦瞬態光致發光譜

（a）在石英基體（黑線）和在ALD-Al₂O₃基體（紅線）上生長的混合(FA,MA)Pb(I,Br)₃鈣鈦礦薄膜光致發光譜

（b）在不同基體上生長的鈣鈦礦薄膜的光致發光衰減曲線

（c）模擬的載流子擴散長度和載流子壽命之比τ_spiro/τ_pero與載流子擴散長度的關系

?圖 5 載流子濃度分析

（a）不同(FA,MA)Pb(I,Br)₃鈣鈦礦晶體薄膜的光致發光強度和光生載流子密度。實線為缺陷密度模型的數值擬合

（b）低泵光強度下鈣鈦礦薄膜穩態光致發光放大自發發射譜(ASE)

（c）高泵光強度下鈣鈦礦薄膜穩態光致發光放大自發發射譜(ASE)

?圖 6 不同基體上MAPbI3鈣鈦礦晶體薄膜15 到 280 K的光致發光譜等值線圖

（a）生長在玻璃基體上的MAPbI₃鈣鈦礦晶體薄膜隨溫度變化的穩態光致發光譜等值線圖

（b）生長在ALD-Al₂O₃基體上的MAPbI₃鈣鈦礦晶體薄膜隨溫度變化的穩態光致發光譜等值線圖

圖7 隨溫度變化而變化的MAPbI₃鈣鈦礦薄膜晶體光致發光譜強度和光譜半高寬

（a）隨溫度變化而變化的鈣鈦礦薄膜晶體光致發光光譜強度。實線為擬合曲線

（b）隨溫度變化而變化的鈣鈦礦薄膜晶體光致發光光譜半高寬。實線為擬合曲線

?圖8 由混合(FA,MA)Pb(I,Br)₃鈣鈦礦薄膜制成的橫向結構光電探測器形貌和性能

（a）由混合(FA,MA)Pb(I,Br)₃鈣鈦礦薄膜制成的橫向結構光電探測器光學顯微鏡下圖片

（b）黑暗中橫向結構光電探測器隨電壓變化而變化的光響應電流

（c）1 and 100 mW cm^?2光照下橫向結構光電探測器隨電壓變化而變化的光響應電流

【小結】

該工作證實了一種簡單有效的提高鈣鈦礦單晶和薄膜質量的方法，即通過在水解絕緣氧化基體上制備材料，利用基體與材料界面的強相互作用促進了晶體生長。根據一系列的光致發光譜分析，薄膜材料中的缺陷濃度被顯著降低了。其次，該方法也降低了晶粒邊界，提高了晶體有序度并改良了界面上原子成鍵。將鈣鈦礦薄膜應用到光電探測器上，使其展現出了更優異的光電響應特性和探測能力。該方法對不同成份的鈣鈦礦單晶和薄膜具有普適性，有利于鈣鈦礦材料在光電探測器件中的進一步應用。

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

本文由材料人編輯部小斯同學編譯，劉宇龍審核，點我加入編輯部大家庭。

?歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

?投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

?材料測試、數據分析，上測試谷！