喻学锋团队成功开发仿铠甲型柔性光探测器

relang

近日，中国科学院深圳先进技术研究院材料所喻学锋、何睿团队，在高水平国际学术期刊Advanced Science在线发表研究论文“Flexible All-Inorganic Perovskite Photodetector with a Combined Soft-Hard Layer Produced by Ligand Cross-Linking”。该成果聚焦柔性光电器件中高稳定柔性活性层制备困难的问题，提出了一种“软硬结合”的结构设计策略，通过有机硅烷水解缩聚在钙钛矿表面进行原位薄层修饰制备出仿铠甲型全无机钙钛矿活性层，很好地平衡了稳定性、导电性和柔韧性之间的关系。本工作不仅拓展了钙钛矿纳米晶在光电子器件中的应用，也为纳米晶活性层柔性结构的设计引入了新思路，在未来柔性电子领域具有巨大的应用潜力。喻学锋研究员和何睿副研究员为本文通讯作者，史桐雨博士生为本论文第一作者，陈曦博士生为本文的共同第一作者。

　　柔性探测器设计及活性层表征

　　柔性光电探测器是可穿戴设备、可折叠显示器和生物医学成像系统的关键组件，但其广泛使用受限于半导体的脆性及生长加工的高成本。相比于传统高温制备的半导体材料，通过溶液法低温制备的高性能胶体纳米晶凭借其廉价易得的优势有望成为推动柔性光探测器和弯曲晶体器件发展的重要材料。
　　全无机钙钛矿是近年来得到飞速发展的半导体纳米材料之一，具有高光吸收系数、高载流子迁移率、较长的扩散载流子长度、可调谐带隙、缺陷容忍性等光电特性。通过喷涂、旋涂、滴涂等方式可以直接将纳米晶与柔性衬底集成在一起，极大地简化了光电器件的制备流程，且成本低廉，易于进行大规模制备。不过，由纳米粒子形成的薄膜其柔韧性和光电性能主要由配体与核心粒子结合的紧密程度以及配体与配体之间的相互作用决定。虽然小分子配体可以通过配位作用稳定纳米晶界面，但对环境中水、氧、热等因素对于钙钛矿的侵蚀问题起到的保护作用有限。通过与聚合物复合可以有效解决上述柔韧性和稳定性问题，但是钙钛矿纳米晶在聚合物基体中的分散性差，体积占比低，导致聚合物基纳米晶复合材料的导电性通常极差，无法在光电器件中进行应用。因此，迫切需要开发一类稳定性高，柔韧性好，导电性佳的钙钛矿纳米晶复合材料应用于柔性光电子领域。
　　深圳先进技术研究院的喻学锋、何睿团队针对这一问题，提出了一种“软硬结合”的结构设计策略，通过有机硅烷水解缩聚在钙钛矿表面进行原位薄层修饰制备出仿铠甲型全无机钙钛矿活性层，很好地平衡了稳定性、导电性和柔韧性之间的关系。选用的氟硅烷1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷通过与Pb和Br的相互作用连接到钙钛矿表面，为钙钛矿提供有效的表面钝化和保护，同时末端的的Si－Cl键水解产生硅羟基，并进一步缩合形成均匀的薄层Si-O-Si网状结构，包覆在钙钛矿的表面。经过薄层包覆后的钙钛矿纳米晶在水中浸泡3天和高温高湿的环境下（85℃，85%相对湿度）老化54 h后依然表现出较好的稳定性。不仅如此，与常见的聚合物基纳米晶复合材料不同，本工作中制备的超薄修饰层并未导致材料绝缘，紧密排列的纳米颗粒阵列可以实现钙钛矿纳米晶体间的电子传递，保持了优异的光电性能。 此外，与纯化的纳米晶体薄膜(E ~ 5.2 GPa)相比，CsPbBr3@FDTS薄膜的弹性模量降至2.75 GPa，与柔性衬底的相容性和抗形变能力大幅提升，基于此活性层制备的紫外探测器的响应度为13.60 mA/W，比探测率为7.75×1010 Jones，经过5000次循环弯曲测试后依然保持了初始性能的78%，表现出优异的机械稳定性。这项工作为钙钛矿材料开拓了新的应用方向，同时也为高质量纳米晶活性层柔性结构的设计提供了一种有效策略，具有很大科学和应用价值。
　　该研究工作获得了国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金青年项目、中科院青年创新促进会、深圳市杰青及中科院特别研究助理等项目的资助。
        文章来源：深圳先进院
       喻学锋，武汉大学博士，中科院深圳先进技术研究院研究员、博导，生物医用材料与界面研究中心主任，香港城市大学高级副研究员，中科墨磷科技有限公司董事、总经理，深圳市高层次海外人才，全国材料新技术发展研究会理事。主要从事黑磷、纳米金等低维材料的研发与应用，近两年以通讯作者在Nature Communication、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Functional Materials、Biomaterials、Small等刊物发表SCI论文20多篇，其中8篇论文被选为“封面故事”，两篇被选为“热点文章”，1篇被评为本领域高引论文。论文累计总引用3000多次；申请国际国内发明专利20多项。近两年先后主持/参与各级科研项目十多项，承担科研经费4000多万元。