王恺课题组Advanced Science：钙钛矿单晶光电器件领域取得研究新进展

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南方科技大学电子与电气工程系（简称“电子系”）副教授王恺课题组针对新型光电器件中载流子传输层与金属卤化物钙钛矿单晶异质原位集成的关键问题，在无机电子传输层上异质原位生长高质量全无机金属卤化物钙钛矿单晶方面取得研究进展，研究成果以“In Situ Growth of All-Inorganic Perovskite Single Crystal Arrays on Electron Transport Layer”为题发表于知名学术期刊Advanced Science。
       金属卤化物钙钛矿具有缺陷容忍度高、能带与激子结合能易调控、量子效率高、易制备成本低等优点，作为一类新型的光电材料在LED、激光、太阳能电池、光电探测、场效应晶体管等领域具有广泛的应用前景。相比于稳定性较差的钙钛矿纳米晶材料，钙钛矿单晶材料具有无晶界、缺陷态密度低、载流子寿命长、稳定性好等优点，被誉为极具前景的光电材料。
       目前全无机钙钛矿单晶都是在非载流子传输材料衬底上或者在溶液中生长，而对于光电器件中经典的电子传输层-钙钛矿层-空穴传输层“三明治”结构，通常需要将全无机钙钛矿单晶进一步剥离并转移至传输层，这样不仅使整个器件制备过程变得复杂，同时也对作为有源层的钙钛矿单晶造成损伤或缺陷，并使有源层与传输层之间的界面劣化，影响载流子的有效输运。在传输层上直接异质原位生长全无机钙钛矿单晶将是解决上述难题的有效手段，但也是该领域面临的主要挑战之一。
       通过两步溶液旋涂法，王恺课题组在全无机电子传输层立方相氧化锌 (c-ZnO) 纳米晶上成功原位生长制备出了CsPbBr3钙钛矿单晶阵列。研究人员通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和选区电子衍射（SAED）发现，c-ZnO呈闪锌矿立方相结构，钙钛矿前驱体中的Cs+、Pb2+和Br– 会沿着该立方相结构和取向成键，在c-ZnO表面形成一层钙钛矿籽晶，新形成的钙钛矿晶体逐层堆叠并继续生长，实现c-ZnO纳米晶诱导原位生长立方相CsPbBr3钙钛矿单晶，并形成由CsPbBr3钙钛矿单晶和c-ZnO构成的异质结 (100)CsPbBr3 || (100)c-ZnO。同时，CsPbBr3与c-ZnO的晶格常数分别为5.65Å与4.55Å，表明即使存在较大晶格失配度，在c-ZnO无机电子传输层上仍可以异质原位生长获得高质量的全无机钙钛矿单晶，为拓展衬底选择范围提供基础（图1与图2）。

图1. (a) CsPbBr3单晶/c-ZnO界面的SEM截面图；(b) CsPbBr3单晶AFM图；（c）CsPbBr3单晶/c-ZnO界面HRTEM图；（d）CsPbBr3单晶的HRTEM图；（e）c-ZnO的HRTEM图；（f）CsPbBr3单晶的SAED图；（g）c-ZnO的FFT图.

图2. CsPbBr3单晶在c-ZnO上异质原位生长机理示意图.

         在单晶特性研究中，研究人员将CsPbBr3钙钛矿纳米晶和CsPbBr3钙钛矿单晶进行对比分析，通过广角X射线散射（GIWAXS）中100布拉格峰的取向分析发现，CsPbBr3钙钛矿纳米晶体存在平行于衬底的取向排列，这是由于纳米晶体的大量堆砌带来的整体效应；而CsPbBr3钙钛矿单晶阵列显示出单晶个体带来的强烈的、沿着100散射环分布的散射亮斑，这表明单晶的晶面生长取向受到衬底对应取向的影响（图3）。研究进一步表明，相比于钙钛矿纳米晶，原位生长的CsPbBr3钙钛矿单晶具有更窄的能量态分布，从而实现更高的激子扩散速率。

图3. (a, b) CsPbBr3纳米晶和CsPbBr3单晶阵列的广角X射线衍射（GIWAXS）；（c）(100)晶面方位积分图；（d, e）CsPbBr3纳米晶和CsPbBr3单晶阵列的小角X射线衍射（GISAXS）；（f）（d）和（e）对应的Yoneda峰位置的水平切割（结构分析）.
        该研究工作证实了在c-ZnO无机电子传输层上异质原位生长高质量全无机钙钛矿单晶的可能性，向实现钙钛矿单晶与更多无机载流子传输层更好地集成的目标迈出了重要一步，也展示出该成果在制备高效稳定的新型钙钛矿单晶光电器件方面的巨大潜力。
        王恺课题组研究助理唐晓冰和课题组访问学生陈威为论文共同第一作者，王恺、前沿与交叉科学研究院研究助理教授吴丹为论文共同通讯作者，南方科技大学为第一单位和唯一通讯单位。南科大电子系讲席教授孙小卫，教授陈锐，物理系副教授黄明远和德国慕尼黑工业大学教授Peter Müller-Buschbaum为论文合作作者。
本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、省自然科学杰出青年基金、省普通高校量子点先进显示与照明重点实验室、省教育厅和深圳市科创委的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201902767

供稿：电子与电气工程系

通讯员：李佰英

编辑：苗雪宁

主图设计：丘妍

        文章来源：南方科技大学

       王 恺，博士，南方科技大学，副教授。主要从事LED/量子点LED材料、器件与封装研究，在高效光子产生与提取、准确光场调控、高稳定性发光方面取得一系列研究成果。主持国家及省市级科研项目等共10项，发表SCI论文112篇（Web of Science核心合集总引2702次，SCI数据库他引1816次，Web of Science H因子29），发表国际会议论文50余篇；授权国家发明专利25项和美国发明专利2项；第一作者出版专著《Freeform Optics for LED Packages and Applications》1本，成功入选了“十三五”国家重点图书之先进电子封装技术与关键材料丛书。研究成果获2016年国家技术发明奖二等奖、2016年国家教育部技术发明奖一等奖、2015年湖北省自然科学奖一等奖、2016年SID Distinguished Paper Award、2017年IEEE ICEPT Outstanding Paper Award、2017年南方科技大学“杰出科研奖”、2016年南方科技大学“青年科研奖”等奖项。为2014年“广东特支计划”科技创新青年拔尖人才、2017年广东省自然科学杰出青年基金获得者。