鹵化鉛鈣鈦礦(LHPs)表現(xiàn)出可調諧帶隙、高電荷載流子移動性和明亮的窄帶光致發(fā)光(PL),與傳統(tǒng)的硅基和二元II-VI、III-V和IV-VI半導體材料相比,這些材料可以為光電子應用提供優(yōu)勢。
然而,為了成功實現(xiàn)技術集成,LHP必須克服其固有的多態(tài)性,暴露于極性溶劑、氧氣、熱和光時的分解,陷阱態(tài)的存在,以及金屬離子的相分離和浸出。
例如,在CsPbI3偽立方“黑”相(α-、β-和γ-相)中發(fā)現(xiàn)了適合光伏和紅光發(fā)光二極管(LED)的高光學吸收率和直接帶隙,但在環(huán)境條件下,熱力學因素促進了它們向非鈣鈦礦“黃色”δ相的轉化。用于白光LED的LHP材料將嚴重依賴于紅色發(fā)射器的穩(wěn)定性,理想地結合在一個單一的寬帶發(fā)光材料結構中。
LHP復合材料的形成可能會為其中一些問題提供解決方案,但LHP的離子性質并不完全有利于復合材料的制造,包括LHP聚合和分解,與所選基體的界面相互作用弱導致機械穩(wěn)定性差,以及高濃度陷阱態(tài)的形成。
對沸石咪唑酯骨架結構材料框架(ZIFs)的金屬有機框架的研究使淬火后能夠獲得高溫ZIF液體和微孔玻璃。ZIF玻璃在其孔隙率、反應性、機械剛度和延展性以及光學響應方面具有明顯的物理化學性能,并已被用作結晶MOFs的基體。這些特性使ZIF玻璃成為解決LHP復合材料形成的多種挑戰(zhàn)的首選材料。
通訊作者:王連洲,侯經(jīng)緯,Thomas D. Bennett,Sean M. Collins
第一單位:昆士蘭大學
昆士蘭大學的王連洲/侯經(jīng)緯團隊在Science上發(fā)表文章,Liquid-phase sintering of lead halide perovskites and metal-organic framework glasses,作者表明,銫碘化鉛的黑色光活性相可以通過液相燒結形成金屬有機框架玻璃相的復合材料來穩(wěn)定下來。光致發(fā)光至少比純鈣鈦礦大兩個數(shù)量級。玻璃在高激光激發(fā)下穩(wěn)定鈣鈦礦,在水浸泡10000小時后仍能保持約80%的光致發(fā)光。
作者報告了一系列通過LHP和金屬-有機框架玻璃的液相燒結制造的可伸縮復合材料。并表明用于形成高性能復合材料的工業(yè)粉末加工技術可以應用于不同的LHP和ZIF玻璃。
首先,ZIF-62 {Zn[(Im)1.95(bIm)0.05]}(Im,imidazolate;bIm,benzimidazolate)和CsPbI3進行機械化學合成,并顯示了預期的相變。然后,將25 wt%的CsPbI3與ZIF-62玻璃混合,混合物被稱為(CsPbI3)(agZIF-62)(25/75)。
同步輻射XRD表明,混合物中形成了非鈣鈦礦δ-CsPbI3相。混合物在不同溫度(高達350°C)下燒結,然后在流動氬(Ar)下用液氮淬火(稱為低溫淬火)。由此產(chǎn)生的復合材料(CsPbI3)0.25(agZIF-62)0.75,表現(xiàn)出與亞穩(wěn)態(tài)γ-CsPbI3相一致的XRD特征,強度隨著燒結溫度的升高而逐漸增加。
對材料進行測試,結果表明,玻璃充當LHP的基體,通過界面相互作用有效穩(wěn)定了非平衡鈣鈦礦相。這些相互作用還鈍化了LHP表面缺陷,并賦予廣色域的明亮窄帶光致發(fā)光,以創(chuàng)建白光二極管(LED)。可加工復合材料具有很高的穩(wěn)定性,可以防止浸入水和有機溶劑中,并暴露在熱、光、空氣和環(huán)境濕度下。這些特性,加上它的Pb自隔離特性,可以為LHP實現(xiàn)突破性應用。
圖1. 在不同的燒結溫度下制備復合物(CsPbI3)0.25(agZIF-62)0.75
圖3. 在300攝氏度下合成的(CsPbI3)0.25(agZIF-62)0.75的相分布
侯經(jīng)緯博士2015年畢業(yè)于澳大利亞新南威爾士大學,隨后在聯(lián)合國教科文組織膜科學技術中心(2015-2017)及英國劍橋大學(2017-2019)開展博士后研究。目前為澳大利亞昆士蘭大學Arc Decra Fellow。截止到目前(2019年5月)共發(fā)表論文71篇,包括Nature Communication、Chem、Advanced Materials、Angewandte Chemie、Journal of Membrane Science等。研究方向主要為膜分離、金屬有機骨架材料以及生物催化過程等。
王連洲,現(xiàn)為澳大利亞昆士蘭大學化工學院教授,納米材料研究中心主任,澳大利亞生物工程與納米科技研究所(AIBN)兼職課題組長。主要從事功能納米材料和納米器件研發(fā)及其在清潔能源轉換領域的應用研究, 包括納米光催化材料,新一代太陽能電池,及新型充電電池等。在諸多國際期刊包括Chem Rev. Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., J. Am.Chem. Soc, Angew. Chem. 等發(fā)表論文220余篇,專著章節(jié)9部,申請專利12項。近年作為主要負責人先后承擔了澳大利亞基金委、澳洲科學院、澳洲協(xié)同創(chuàng)新中心,昆士蘭州政府以及工業(yè)界等30余項競爭性研究項目,總金額超1600萬澳元。擔任《科學通報》英文版Science Bulletin及Journal of Nanoparticles Research等國際期刊副主編。獲得澳洲基金委女王伊麗莎白學者(2006)及未來學者(2012)稱號,昆士蘭大學研究優(yōu)秀獎(2008),澳洲Scopus尋找科技新星獎(2011),目前擔任澳洲基金委專家組大評委,入選英國皇家化學會會士。https://aibn.uq.edu.au/wang
Hou et al., Liquid-phase sintering of lead halide perovskitesand metal-organic framework glasses. Science 374, 621–625 (2021)
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf4460
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