GEE：如何在多種器件應用中發揮鈣鈦礦量子點的優勢？

背景介紹：

鈣鈦礦量子點是一種具有鈣鈦礦晶體結構的量子點材料。首先，量子點材料在三維尺寸上與自由電子的德布羅意波長相當，表現出明顯的量子限域效應和其性質的尺寸依賴性。量子限域效應賦予了量子點材料獨特的電學及光學特性，并使其在功能材料和器件的設計上更加自由。而且，對于低成本且可大規模化的溶液加工技術，膠體分散的量子點材料具備極好的兼容性。另一方面，鹵族鈣鈦礦半導體材料具有吸收系數高、載流子壽命長、載流子遷移率高等優勢，且已在眾多領域展現出巨大的潛力。因此，兼具兩類材料優勢特性的鈣鈦礦量子點材料，或可在某些器件應用領域助其打破當前限制，實現性能的突破，亦或可拓展器件的應用范圍，實現器件的功能性創新。

成果簡介：

近期，南開大學材料科學與工程學院李國然教授和趙乾博士，聯合CSIR-印度化學技術研究所（IICT）Abhijit Hazarika研究員，韓國漢陽大學Young-Hoon Kim博士，中國科學院過程工程研究所苗青青研究員，湖南師范大學物理與電子科學學院翟亞新教授，布魯克大學高建波教授等人撰寫了綜述文章，論述了鈣鈦礦量子點在各應用領域的發展潛力及概況。基于各種器件應用的工作原理，并結合鈣鈦礦量子點自身的性質特點，闡述了鈣鈦礦量子點在器件應用的突出優勢以及面臨的難題。并且，結合當前鈣鈦礦量子點在該應用領域的發展狀況，提出未來可能的發展方向。目前，對于LED而言，在某些發射波長下，基于鈣鈦礦量子點的器件比使用鈣鈦礦二維/三維體材料的器件表現出更高的外量子效率和亮度。在太陽能電池應用中，基于鈣鈦礦量子點的器件由于其高的操作靈活性、制造簡單和較低的環境影響而不斷受到關注，但是鈣鈦礦量子點太陽能電池的光電轉換效率和操作穩定性仍明顯不足。在激光應用方面，一些基于鈣鈦礦量子點的隨機激光器表現出優于鈣鈦礦三維體材料激光器的性能參數。對于二氧化碳的催化還原，鈣鈦礦量子點亦表現出了優異的性能。在光電探測器研究領域，鈣鈦礦量子點光電探測器與鈣鈦礦三維體材料的器件具有相當的性能。同樣，在憶阻器應用中，鈣鈦礦量子點和三維體材料之間沒有表現出明顯的性能差異，且這兩種類型的鈣鈦礦憶阻器都仍處于開發階段，在器件結構和材料科學方面需要進一步探究。

圖文導讀：

本綜述首先概括了鈣鈦礦量子點的本征優勢特性及其在各器件領域的應用（圖1）。隨后，分別對不同應用領域如發光二極管（圖2）、太陽能電池（圖3）、探測器（圖4）、激光（圖5）、催化反應（圖6）和憶阻器（圖7）的工作原理及鈣鈦礦量子點在其中的應用進展及潛力進行了總結歸納。最后，簡要闡述了鈣鈦礦量子點在器件應用中的挑戰及未來發展方向。

圖1鈣鈦礦量子點的優異特性及相關應用領域

圖2 鈣鈦礦量子點在LED應用領域的優勢性質及發展概況

圖3 鈣鈦礦量子點在太陽能電池應用領域的優勢性質及發展概況

圖4鈣鈦礦量子點在探測器應用領域的優勢性質及發展概況

圖5 鈣鈦礦量子點在激光應用領域的優勢性質及發展概況

圖6 鈣鈦礦量子點在催化應用領域的優勢性質及發展概況

圖7 鈣鈦礦量子點在憶阻器應用領域的優勢性質及發展概況

結論與展望

近年來，鈣鈦礦材料的驚人發展讓物理學家、化學家、材料科學家和工程師齊聚一堂，來討論鈣鈦礦量子點的最新發現，以及它們在光子、電子和光電應用中的優缺點。鑒于自 2021 年 1 月以來與鈣鈦礦量子點相關的數千篇期刊論文發表（來源：Web of Science），我們發現盡管許多已發表的一些實驗結果時有存在差異或爭議，如晶相認定、配體交換動力學、器件制備細節等方面，但人們目前最為關注的是鈣鈦礦量子點的穩定性，這可歸因于鈣鈦礦量子點的晶體結構易受極性溶劑和高動態表面配體結合的影響。因此，隨著鈣鈦礦量子點器件性能的不斷提高，更多的研究則需要致力于深入了解鈣鈦礦量子點的本征特性。通過真實模型且直接地揭示鈣鈦礦量子點間的載流子傳輸機制，并進行合理細致地設計新型器件結構，探究其工作原理，有望取得其應用性能的突破性進展。此外，我們認為利用鈣鈦礦量子點的多激子產生效應一直是釋放其性能潛力的關鍵。而且，由不同類型鈣鈦礦量子點組裝的超結構可利用其多樣化且獨特的性質來解決高效可持續器件應用領域中所面臨的科學及實際問題。

相關論述發表于Green Energy & Environment上，南開大學趙乾博士為第一作者，?CSIP-印度化學技術研究所Abhijit Hazarika研究員和南開大學李國然教授為通訊作者。

文獻鏈接：Advantageous Properties of Halide Perovskite Quantum Dots towards Energy-efficient Sustainable Applications??DOI:?10.1016/j.gee.2023.04.001

近期，該團隊從晶相結構，微觀形貌、熱失重過程以及光學性質等方面，對全組分Cs_xFA_1-xPbI₃量子點的熱穩定性進行了系統性分析研究。相關研究以“Thermal tolerance of perovskite quantum dots dependent on A-site cation and surface ligand”發表于《Nature Communications》上。相關鏈接為https://www.nature.com/articles/s41467-023-37943-6

本文由作者供稿