近年來(lái)，金屬鹵素鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)在太陽(yáng)能電池、顯示和光電探測(cè)等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而，由于鈣鈦礦這類(lèi)離子晶體對(duì)制備條件極其敏感，合成過(guò)程中異質(zhì)結(jié)界面性質(zhì)的改變往往伴隨著各組分晶相、尺寸與晶體取向等多因素的變化。這些復(fù)雜情況使研究異質(zhì)結(jié)界面性質(zhì)與精 準(zhǔn)調(diào)控其性能變得尤為困難。

針對(duì)該問(wèn)題，南京工業(yè)大學(xué)的黃維院士、黃曉教授、王琳教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種室溫下通過(guò)定向自組裝制備3D/2D鈣鈦礦外延異質(zhì)結(jié)的普適方法，有望拓寬鈣鈦礦外延異質(zhì)結(jié)的材料范圍，實(shí)現(xiàn)更多成分、界面和取向相關(guān)特性的調(diào)控。同時(shí)，該室溫自發(fā)取向組裝的方法在晶體生長(zhǎng)領(lǐng)域有著重要的科學(xué)意義，為其他基于范德華等弱相互作用的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料體系的外延生長(zhǎng)提供了理論指導(dǎo)。2022年7月25日，這一研究成果以“Room temperature epitaxial welding of 3D and 2D perovskites”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然材料》（Nature Materials）上。南京工業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)生朱兆華、東南大學(xué)朱超研究員、南京工業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)生楊磊、西北工業(yè)大學(xué)博士研究生陳前、南京工業(yè)大學(xué)張玲海研究員為共同第 一作者。

要點(diǎn)一：3D/2D鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的外延自組裝

以CsPbBr3/PEA2PbBr4異質(zhì)結(jié)為例，該團(tuán)隊(duì)研究人員展示了如何通過(guò)改變鈣鈦礦表面配體調(diào)控晶體組裝的取向。當(dāng)兩種鈣鈦礦表面同為PEA分子時(shí)，CsPbBr3納米晶在PEA2PbBr4納米片表面外延組裝，且界面層厚度與PEA2PbBr4晶體中的有機(jī)層一致，表明了界面分子的有序性。

圖1：通過(guò)定向組裝和隨機(jī)組裝制備CsPbBr3/PEA2PbBr4異質(zhì)結(jié)。

圖2：CsPbBr3/PEA2PbBr4異質(zhì)結(jié)的界面表征。

▌要點(diǎn)二：3D/2D鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的形成機(jī)理與普適性

該室溫外延組裝方法適用于多種3D（CsPbBr3、CsPbCl3、Cs2AgBiBr6等）與2D鈣鈦礦（PEA2PbBr4、BA2PbBr4、NMA2PbBr4等）。除了晶體間的范德華、偶極矩等方向性相互作用，異質(zhì)結(jié)界面處的兩層分子間的相互作用受層間距與相對(duì)轉(zhuǎn)角的影響，是誘導(dǎo)鈣鈦礦晶體取向組裝的主要驅(qū)動(dòng)力。

圖3：多種3D和2D鈣鈦礦的示意圖。

圖4：多種3D/2D鈣鈦礦外延異質(zhì)結(jié)的表征。

要點(diǎn)三：外延界面增強(qiáng)鈣鈦礦晶體間的能量與電荷轉(zhuǎn)移

相較于傳統(tǒng)方法形成的隨機(jī)組裝界面，該外延異質(zhì)結(jié)界面有著更強(qiáng)的界面耦合作用，增強(qiáng)了鈣鈦礦晶體間的能量與電荷轉(zhuǎn)移。此外，該自發(fā)外延組裝過(guò)程誘導(dǎo)了2D鈣鈦礦的表面晶格畸變與帶隙變化，使材料在低溫下表現(xiàn)出超寬波長(zhǎng)范圍的多重激子態(tài)發(fā)光。

圖5：CsPbBr3/PEA2PbBr4異質(zhì)結(jié)的光學(xué)性質(zhì)。

圖6：CsPbBr3/PEA2PbBr4異質(zhì)結(jié)界面的應(yīng)力分析與能帶計(jì)算。

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