研究背景
有機–無機混合鈣鈦礦納米晶體（PNCs，APbX3，A = 甲酰胺銨、甲基銨，X = Cl、Br、I）是一類具有重要應(yīng)用前景的半導體材料，廣泛應(yīng)用于太陽能電池、發(fā)光二極管（LEDs）、激光器等光電器件領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的II-VI、III-V家族的納米晶體相比，鈣鈦礦納米晶體因其優(yōu)異的光電性能，如高光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）、窄發(fā)射線寬、大吸收截面和長激子相干時間，成為近年來研究的熱點。尤其是在太陽能電池和LED等應(yīng)用中，鈣鈦礦材料的表現(xiàn)遠超傳統(tǒng)半導體材料。然而，這些材料仍面臨著合成過程中難以控制的生長速率、尺寸分布寬化和晶體質(zhì)量差等問題，尤其是在有機–無機混合鈣鈦礦納米晶體的合成中，快速的反應(yīng)動力學使得其生長時間通常僅為幾秒鐘，導致難以獲得高均勻性和高質(zhì)量的PNCs。針對這一挑戰(zhàn)，蘇州大學馬萬里教授、劉澤柯副教授等人在Nature Synthesis期刊上發(fā)表了題為“Diffusion-mediated synthesis of high-quality organic–inorganic hybrid perovskite nanocrystals”的最新論文。該團隊提出了一種基于擴散介導的合成策略，通過選擇溶解度適中的鉛前體（如Pb(SCN)2）作為鉛源，顯著延緩了反應(yīng)動力學。Pb(SCN)2作為鉛的儲存庫，在整個反應(yīng)過程中持續(xù)提供鉛源，保證了反應(yīng)的穩(wěn)定性和均勻性。這一策略成功將合成時間從通常的幾十秒延長至180分鐘，同時保持了納米晶體尺寸的集中分布。利用這一方法，研究人員成功合成了具有高單分散性和接近單位光致發(fā)光量子產(chǎn)率的高質(zhì)量混合鈣鈦礦納米晶體。 該研究為合成高性能混合鈣鈦礦納米晶體提供了新的思路和技術(shù)路徑，特別是在擴大合成規(guī)模和優(yōu)化光電性能方面具有重要的應(yīng)用潛力。通過這一方法合成的PNCs將在光電器件的應(yīng)用中展現(xiàn)出更高的效率，并推動該領(lǐng)域的進一步發(fā)展。
研究亮點
1. 實驗首次采用擴散介導合成方法，得到了高單分散性和接近單位光致發(fā)光量子產(chǎn)率的有機–無機混合鈣鈦礦納米晶體（PNCs）。通過選擇具有適當溶解度的鉛前體Pb(SCN)2，作為鉛源提供持續(xù)的鉛供應(yīng)，實驗成功實現(xiàn)了混合PNCs的高質(zhì)量合成。2. 實驗通過控制鉛源溶解度，顯著減緩了反應(yīng)動力學，成功延長了反應(yīng)時間。該策略將混合PNCs的合成時間從傳統(tǒng)的數(shù)十秒延長至180分鐘，從而避免了快速聚集或生長過程中的不均勻性問題，保持了納米晶體的尺寸集中。3. 通過擴散介導的動力學實現(xiàn)了大規(guī)模合成高質(zhì)量混合PNCs，且具有良好的光電性能。 該方法不僅使得PNCs保持較高的單分散性，還提高了其光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY），達到了接近單位的水平，表明該合成方法能夠有效地提高PNCs的質(zhì)量，適用于大規(guī)模制備。
圖文解讀
圖2. 監(jiān)測常規(guī)合成和擴散介導法合成的FAPbI3納米晶體的生長。
圖4. 擴散介導合成方法擴展到有機-無機雜化FAPbX3 (X=I, Br, Cl) PNCs膠體合成。圖5. 擴散介導合成方法擴展到有機-無機雜化MAPbX3 (X = I, Br, Cl) PNCs膠體合成。
結(jié)論展望
本文開發(fā)了一種合成具有極高單分散性和接近單位光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）的有機–無機混合鈣鈦礦納米晶體（PNCs）的策略。作者的方法是通過利用Pb(SCN)2在反應(yīng)溶液中的有限溶解度，設(shè)計了一個擴散介導的生長模型。在該模型中，隨著單體在反應(yīng)中的消耗，Pb(SCN)2逐漸溶解并維持單體濃度。此外，未溶解的固體Pb(SCN)2增加了單體向納米晶體表面擴散的距離，使得生長過程完全處于擴散介導的階段。因此，混合PNCs的總體形成時間可以延長到驚人的180分鐘，同時保持狹窄的尺寸分布，這比傳統(tǒng)方法（幾秒鐘到幾分鐘）慢了一個數(shù)量級。這一延長的時間窗口為進一步的合成設(shè)計（摻雜、核殼結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)等）提供了機會，并促進了生產(chǎn)規(guī)模的擴大。Sun, X., Yuan, L., Liu, Y. et al. Diffusion-mediated synthesis of high-quality organic–inorganic hybrid perovskite nanocrystals. Nat. Synth (2024). https://doi.org/10.1038/s44160-024-00678-3
