卤化物钙钛矿的基本性质可能开辟一个全新的应用领域

时间:2020-04-16 17:37 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

卤化物钙钛矿的基本性质可能开辟一个全新的应用领域

研究表明,所有的卤化物钙钛矿都具有固有的不稳定性,需要高度重视环境。

加州大学伯克利分校的科学家们用一种新型的半导体材料——卤化物钙钛矿制造出了一种蓝色发光二极管(LED),克服了在电子设备中使用这种廉价、易于制造的材料的一个主要障碍。

然而,在这个过程中,研究人员发现了卤化物钙钛矿的一个基本特性,这可能会阻碍它们被广泛用作太阳能电池和晶体管。

另外,这种独特的性能可能会为钙钛矿开辟一个全新的世界,远远超过今天的标准半导体。

卤化物钙钛矿的基本性质可能开辟一个全新的应用领域

在今天(2020年1月24日)发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中,加州大学伯克利分校的化学家杨沛东和他的同事们指出,卤化物钙钛矿的晶体结构会随着温度、湿度和化学环境的变化而变化,从而破坏了它们的光学和电子性质。如果没有对物理和化学环境的严密控制,钙钛矿设备本身就不稳定。这不是传统半导体的主要问题。

有些人可能会说这是一种限制。对我来说,这是一个很好的机会。杨,s.k.和陈安琪拉化学学院杰出的能源主席和Kavli能源纳米科学研究所主任。这是一种新的物理现象:一种新的半导体,它可以很容易地重新配置,这取决于你把它们放在什么样的环境中。它们可能是非常好的传感器,可能是非常好的光导体,因为它们对光和化学物质的反应非常敏感。

目前由硅或氮化镓制成的半导体在一定温度范围内非常稳定,这主要是因为它们的晶体结构是由强共价键连接在一起的。卤化物钙钛矿晶体是由较弱的离子键结合在一起的,就像盐晶体一样。这意味着它们更容易制作。它们可以从简单的溶液中蒸发掉。但也易受湿热等环境条件的影响。

卤化物钙钛矿的基本性质可能开辟一个全新的应用领域

这篇论文不仅仅是为了炫耀我们做了这个蓝色的LED,杨说,他是劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的资深科学家,也是加州伯克利大学材料科学与工程教授。我们还告诉人们,我们真的需要关注钙钛矿的结构演变,在设备运行过程中,无论何时你用电流驱动这些钙钛矿,无论是LED、太阳能电池还是晶体管。这是这类新型半导体的固有特性,它将影响到未来使用这类材料的任何可能的光电器件。

蓝色二极管

制造发出蓝光的半导体二极管一直是一个挑战,杨说。2014年诺贝尔物理学奖授予了氮化镓高效蓝色发光二极管的突破性发明。当电流通过二极管时,二极管就会发光。二极管是光纤电路中的光电子元件,也是一般用途的LED灯。

自从2009年卤化物钙钛矿第一次引起广泛关注以来,日本科学家发现他们制造了高效的太阳能电池,这些容易制造的廉价晶体让研究人员兴奋不已。到目前为止,已经演示了红色和绿色发光二极管,但还没有演示蓝色。卤化物钙钛矿蓝二极管已经不稳定;也就是说,随着使用,它们的颜色会转变为更长的、更红的波长。

正如杨和他的同事们所发现的,这是由于钙钛矿的独特性质所造成的。晶体结构。卤化物钙钛矿是由金属(如铅或锡)、等量的较大原子(如铯)和三倍数量的卤化物原子(如氯、溴或碘)组成的。

当这些元素在溶液中混合,然后干燥,原子就会聚集成晶体,就像海水中的盐结晶一样。加州大学伯克利分校和伯克利分校的实验室化学家们使用一种新技术和铯、铅和溴的成分,创造出了钙钛矿晶体,这种晶体发出蓝光,然后在斯坦福线性加速器中心(SLAC)用x射线轰击它们,以确定它们在不同温度下的晶体结构。他们发现,当从室温(约300开尔文)加热到大约450开尔文(半导体常用的工作温度)时,被压扁的晶体结构会膨胀,并最终形成一种新的正交或四边形结构。

由于这些晶体发出的光取决于原子的排列和原子之间的距离,所以颜色也会随着温度的变化而变化。一种钙钛矿晶体在300开尔文时发出蓝光(450纳米波长),突然在450开尔文时发出蓝绿色的光。

杨perovskites&rsquo属性;具有较弱离子键的柔性晶体结构,是卤化物原子的典型特征。自然形成的钙钛矿含有氧气而不是卤化物,产生一种非常稳定的矿物。硅基半导体和氮化镓半导体同样稳定,因为它们的原子是由强共价键连接的。

使blue-emitting钙钛矿

据杨介绍,蓝晶钙钛矿二极管一直很难制造,因为将晶体制成薄膜的标准技术鼓励混合晶体结构的形成,每一种晶体结构以不同的波长发射。电子被引导到带隙最小的晶体中。也就是说,不允许的最小能量范围;在发出红色的光之前。

为了避免这种情况,杨的博士后研究员和第一作者之一都参与了这项研究。陈红,林佳,康祖勋;生长了单层的层状钙钛矿晶体,采用低技术方法制备石墨烯,用胶带剥离单层均匀的钙钛矿。当钙钛矿与电路结合并通电时,它会发出蓝光。实际的蓝色波长随着八面体钙钛矿晶体层数的变化而变化,这些晶体由一层有机分子相互分离,使得钙钛矿层易于分离,并保护其表面。

然而,SLAC实验表明,蓝色钙钛矿的发射颜色会随着温度的升高而改变。杨说,这个特性可以有有趣的应用。两年前,他展示了一扇由卤化物钙钛矿制成的窗户,它在太阳下会变黑,在太阳下山时变得透明,同时还能产生光伏能源。

我们需要从不同的角度来考虑如何使用这类半导体材料。他说。我们不应该把卤化物钙钛矿置于与传统共价半导体(如硅)相同的应用环境中。我们需要认识到,这类材料具有固有的结构特性,可以随时重新配置。我们应该利用这一点。

参考文献:单晶ruddlesd - popper相卤化钙钛矿蓝发光二极管的结构和光谱动力学;陈红,贾林,康祖勋,孔乔,鲁迪伦,赖军康9,赖民良,李娜泉,林振妮,金剑波,王林,王林望,迈克尔·f·托尼和杨沛东,2020年1月24日,科学进步。

DOI: 10.1126 / sciadv.aay4045

这项工作得到了美国能源部基础能源科学项目的支持。论文的其他合著者还有加州大学伯克利分校的孔桥、卢迪伦、赖敏亮、李娜全和金剑波;伯克利实验室的Jun Kang, Zhenni Lin和Lin- Wang Wang;还有SLAC的迈克尔·托尼。陈目前就读于中国深圳的南方科技大学;林就职于上海电力大学;Joohoon Kang就职于韩国首尔的成均馆大学。

当前位置:主页 > 化学知识 >

声明:本文杏鑫娱乐整理不代表个人观点,转载请注明原文,点击还能查看更多的文章;本文网址: http://www.kozbods.com/huaxue/1200.html

围观: 次 | 责任编辑:杏鑫

延伸阅读

SEO关键字



回到顶部