沧澜江物构所铁电半导体收音机光电探测晶体质感商量获进展,西藏物质结构研究所公布掺杂金属卤素钙钛矿钻探综述科学

福建物构所发表掺杂金属卤素钙钛矿研究综述,构筑了一例具有多层钙钛矿结构的铁电化合物并组装成光电探测晶体器件

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金属卤化物钙钛矿材料由于可调光谱吸收、高载流子迁移率、良好缺陷容忍度等特性成为近年来光电、光伏等领域研究的热点。然而,大部分金属卤素钙钛矿化合物含有重金属铅和材料不稳定而影响其实际应用。科研人员通过合理的化学掺杂,将掺杂剂如长链阳离子、卤素阴离子、金属离子掺杂到金属卤化物钙钛矿中,一定程度地解决了上述问题,同时引入了一些新异的光电性能。

铁电材料是一类特殊的极性化合物,基于自发极化效应表现出优良的非线性光学、压电、热释电和铁电等性能,在信息存储、红外探测、声表面波和集成光电器件等领域有着重要应用,特别在光辐照下材料内部将出现非平衡载流子的激发,诱导电子云结构发生不对称变化,从而诱导宏观极化产生许多新的现象,如反常光伏效应、光折变效应等。近年来,无机/有机杂化钙钛矿材料在太阳能电池、光电器件等方面备受人们关注,其中二维层状钙钛矿材料具有独特的量子限域效应、激子效应和结构易于调控等特点,为设计合成铁电体并组装光电功能器件等提供了极大的可能性与选择性。

近年来,中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室研究员罗军华团队在国家自然科学基金重点项目、国家杰出青年基金、中科院战略性先导专项、“中科院青年创新促进会”专项等资助下,在金属卤素无机有机杂化钙钛矿及其掺杂化合物的结构设计及性能调控方面取得系列进展(J.
Am. Chem. Soc., 2019, 141, 3812;J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 2623;J.
Am. Chem. Soc., 2018, 140, 6806; Angew. Chem., Int. Ed., 2018, 57,
16764;Angew. Chem., Int. Ed., 2018, 57, 9833;Angew. Chem., Int. Ed.,
2018, 57, 8140; Adv. Func. Mater.,2018, 12, 1805038;Adv. Func. Mater.,
2018, 28, 1705467; Laser Photonics Rev., 2018, 12, 1800060; J. Am. Chem.
Soc., 2017, 139,15900; Angew. Chem., Int. Ed.,2017, 56,12150; J. Phys.
Chem. Lett.,2017,8, 2012; Angew. Chem., Int. Ed., 2016, 55, 11854;
Angew. Chem., Int. Ed., 2016, 55, 6545)。

科学,中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室研究员罗军华领导的无机光电功能晶体材料研究团队在国家杰出青年基金、中科院战略性先导科技专项和海西研究院“团队百人”研究员孙志华主持的国家自然科学基金委优秀青年基金、中科院海西研究院“春苗人才”专项和福建省杰出青年基金等项目资助下,以三维溴化铅钙钛矿为基础,通过引入混合有机阳离子配体的设计策略,构筑了一例具有多层钙钛矿结构的铁电化合物并组装成光电探测晶体器件。在该晶体结构中,无机溴化铅骨架保持了原有的钙钛矿结构,有机阳离子配体则发生了有序—无序的结构转变,相变过程中偶极子有序排列诱导化合物产生自发极化;在施加外电场作用下材料的自发极化能够发生翻转,表现出明显的铁电性能。同时利用该铁电晶体组装的光电探测器表现出良好的探测性能,响应时间达到~150
μs,对晶体本征吸收区的光辐射可以实现高灵敏度、快速探测。该铁电化合物不仅为研究人员后续设计合成极性光电功能材料提供了一种新的设计策略,作为一例潜在的光电探测材料,其还将进一步拓展无机/有机杂化钙钛矿材料在太阳能电池、光电探测等方面的应用范围,相关研究结果最近发表于《德国应用化学》(Angew.
Chem., Int. Ed.,
2017,
DOI:10.1002/anie.201705836)。团队进一步利用卤素掺杂实现了对该类无机有机杂化钙钛矿铁电晶体材料的能带和极化调控(相关结果最近发表在J.
Phys. Chem. Lett
., 2017, 8,
2012)和通过对称性破缺诱导极化实现非线性倍频性能的多级开关调控(Chem.
Mater.
, 2017,29,3251;Chem. Commun., 2017, 53, 7669)。

该团队结合自身在有机-无机杂化钙钛矿材料方面的系统研究以及该领域内的研究现状,撰写了题为Rational
Chemical Doping of Metal Halide Perovskites
的综述论文。总结了近年来有关掺杂金属卤化物钙钛矿在理论和实验方面取得的突破和进展,合理地阐述了钙钛矿结构-性能之间的构效关系,为设计具有高性能的无机有机杂化钙钛矿材料提供了新思路。相关结果发表在《化学会评论》
(Chem. Soc. Rew., 2019, 48, 517–539),并入选为封底。

此前,团队利用固体对称性破缺结构相变诱导产生极化效应的设计策略构筑了一系列极性光电晶体材料(Angew.
Chem., Int. Ed
.,2012,51, 3871;Adv. Fuct. Mater.,2012,22, 4855;Adv.
Mater
.,2013,25, 4159,Chem. Mater.,2015,27, 4493;J. Am. Chem.
Soc
.,2015,137, 15560;Adv. Mater.,2015,27,
4795);最近团队将该策略应用于无机/有机杂化钙钛矿铁电化合物的结构设计、性能调控及光电器件组装等方面并取得了很好进展(Angew.
Chem., Int. Ed.
, 2016, 55, 6545;Angew. Chem., Int. Ed., 2016, 55,
11845)。

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福建物构所发表掺杂金属卤素钙钛矿研究综述

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无机有机杂化钙钛矿铁电半导体光电探测晶体材料

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对称性破缺诱导极化实现非线性倍频性能的多级开关调控