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东南大学在哪里

发布时间：2025-05-06　点击：11次

近年来，铯铅卤化物无机钙钛矿材料CsPbX 3 (X= halide)因其具有良好的光电性能，如带隙可调、高光吸收率、长载流子扩散长度和高载流子迁移率等性质，被广泛研究并应用于光电设备如太阳能电池、发光二极管、激光器、光电探测器等。然而传统制备方法液相法与气相法在实际应中存在稳定性差、环境污染大、制造成本高、工艺流程复杂等问题。因此开发一种能够克服这些问题的制备方法是至关重要的。

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图1. PLD制备及固相反应原理，薄膜样品表征

最近，东南大学物理学院徐庆宇教授课题组和新西兰奥塔哥大学物理系张昊合作，采用固相PLD反应方法成功制备了CsPbI x Br 3−x （x = 0, 1, 2, 3）薄膜。这里报道的固相法首先利用两个原材料靶材CsX与PbY 2 （X和Y为I或者Br）按照预先设定脉冲数先后沉积在基底上制成两层薄膜。沉积过程中通过样品托的加热，两层薄膜之间发生相互扩散反应生成钙钛矿薄膜。随后利用X射线衍射(XRD)测试了CsPbI x Br 3−x 薄膜的晶体结构，证实了四种薄膜的成功制备。

图2. 光电探测器的I-V曲线以及稳定性测试

为了进一步探索固相法制备的薄膜在光电器件中的应用，作者用固相反应法制备了有效光吸收面积为0.79 cm 2 的CsPbI x Br 3−x /n-Si异质结构光电探测器。在AM1.5G 100 mW cm −2 太阳光照条件下，作者测试了电流-电压（I-V）曲线，明显的整流行为可以被观测到，证明了薄膜与硅片之间形成了良好的异质结构。测试结果表明，它们在2.5 V时的响应度可分别达到1.3 × 10 −2 、8.4 × 10 −2 、1.1 × 10 −2 和1.1 × 10 −2 A W −1 。此外，它们的开关比可以达到5.7 × 10 2 , 1.1 × 10 3 , 71.4和56.1，表明这些薄膜对阳光敏感，能够有效地控制光电流。

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同时，作者在90-95%湿度和20-30°C的条件下对这四种光电探测器的稳定性进行了测试。结果表明，对于完全未封装和改性的薄膜，固相反应制备的薄膜稳定性有了明显增强。对于CsPbBr 3 ，样品在超高湿度下保存24 天后，其初始性能仍保持在90%以上，25 天后保持在80%以上。CsPbIBr 2 、CsPbI 2 Br和CsPbI 3 由于碘的存在本身结构不稳定，传统方法在低湿度条件下96 h内的性能均低于初始性能的80%。相比之下，固相法制备的CsPbIBr2、CsPbI 2 Br和CsPbI 3 在高湿度条件下96 h仍保持了90%以上的初始性能。这清楚地表明了固相反应相比于传统方法在提高薄膜稳定性方面的优势。

图3. 荧光薄膜及其性质表征

此外，作者发现固相法随着两层原材料沉积薄膜厚度的降低，生成的钙钛矿薄膜晶粒尺寸也随之降低，可以由初始的150 nm左右减小到40 nm左右，从而实现了晶粒尺寸的调控。众所周知，随着晶粒尺寸的减小，晶界增大，辐射复合也会增强，因此CsPbI x Br 3−x 薄膜在紫外光照射下表现出非常明亮的荧光。通过对PL谱研究，四中薄膜的PL峰位置分别为513、597、635和663 nm，对应的半最大宽度分别为18.9、40.8、40.4和39.9 nm，具有良好的单色性和优异的荧光性能。

图4. 阵列制备示意图及其表征

考虑到PLD制备薄膜的特性，作者利用金属掩膜板制备出了图案化荧光薄膜和微米级阵列。当等离子体羽流产生并沉积在基片的过程中，部分羽流被掩膜板阻挡，其余羽流则通过金属掩膜空洞沉积在基片上。通过精确控制金属掩模空洞的形状和尺寸，实现了高精度阵列，制备的正方形阵列的尺寸仅为9.6 µm。与传统的光刻相比，阵列的结构不会因为没有光刻胶或其他化学试剂而受到腐蚀破坏。光刻胶和其他一次性模板都很昂贵，而掩膜版的使用可以大大降低生产成本，易于控制，利于可以实现大尺寸、高精度阵列。因此，该方法制备的图案荧光薄膜和微米阵列在光电子、LED、光伏集成系统建设等领域具有潜在的价值和应用前景。

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