水性自组装钙钛矿微纤维 学习翻译
用于灵敏光电探测器的水性自组装钙钛矿微纤维
关键词:钙钛矿微纤维光物理光电探测器
摘要
采用水自组装方法合成了高结晶度钙钛矿微纤维。用原位x光衍射研究了钙钛矿的结晶动力学，表明最佳结晶时间为9 h。空间和时间分辨荧光测量清楚地显示了钙钛矿微纤维界面和体区的不同复合机理。基于钙钛矿微纤维的光电探测器由于高结晶度和相对长的载流子寿命而表现出高的光响应灵敏度和开关比。该研究将有利于低维钙钛矿的合成和光电子应用。
1、介绍
杂化钙钛矿因其在太阳能电池等光电领域的巨大应用潜力而备受关注发光二极管，激光器，光电探测器和铁电器件。它们的大吸收系数、高电荷载流子迁移率、低陷阱密度、长电子空穴扩散长度和可调电子带隙为溶液处理多功能器件领域的快速发展做出了贡献。钙钛矿器件稳定性差是商业应用的障碍。钙钛矿薄膜将在潮湿的空气中降解，导致器件效率降低。界面工程和封装技术用于阻止钙钛矿薄膜与环境湿度的接触。不过，杨等人。指出水分有利于改善钙钛矿薄膜质量、晶粒尺寸和载流子迁移率。与此同时，斯奈斯和他的同事强调，暴露在湿气中会导致光伏电池更高的开路电压器件和更长的光致发光寿命。因此，水分对钙钛矿薄膜形成过程的影响仍然是矛盾的。
另一方面，光激发载流子动力学因其对钙钛矿器件的重要性而成为研究的热点。最近，在钙钛矿薄膜中发现了光子再循环机制，这有利于提高钙钛矿器件的吸收效率。诸如时间分辨荧光光谱、瞬态吸收光谱和太赫兹光谱复制光谱技术已经被应用于评估载流子工作机制。不同的衰变过程归因于表面附近或体区的载流子复合。小组强调，微观不同区域的系综测量平均值可能会产生误导。详细的信息将在大范围内被忽略。我们以前的工作也发现特定区域不同于整体光谱特性的不同荧光衰减过程。因此，有必要采用空间和速度分辨光学技术，为微区载流子迁移提供直接证据。
图1、钙钛矿微纤维的光学图像；不同放大率钙钛矿微纤维的扫描电镜图像；钙钛矿微纤维中溴和铅的元素分布图；钙钛矿微纤维的XRD图谱；钙钛矿微纤维的HRTEM和SAED。
2、实验部分
将PbBr2 (0.69克)和CH3NH3Br (0.21克)分别溶解在5 ml二甲基甲酰胺(DMF)中，然后将两种溶液混合在一起。向混合溶液中加入去离子水，二甲基甲酰胺和去离子水的比例为1∶1。混合溶液保持72小时，以允许钙钛矿在室温下自组装成微纤维。光电探测器是通过将溶液中的微纤维转移到叉指电极上制成的。
使用里加库·乌里玛四号x光衍射仪进行XRD测量。用能谱仪扫描电子显微镜检查微纤维的微观结构和化学分布。选区电子衍射(SAED)和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)由透射电子显微镜(JEM2100，日本电子株式会社有限公司)测量。稳态和时间分辨光致发光(TRPL)图谱由共焦光学显微镜(纳米纤维FLEX2，东京仪器公司)结合电荷耦合器件(DU420A-OE，Anand或)和时间相关单光子计数(TCSPC)模块(SPC-150，贝克尔&希克)收集。400纳米的激发光是由飞秒钛蓝宝石激光器(贵州茅台酒惠普，光谱物理)在80兆赫下倍频产生的。该装置采用可编程电压电流酸度计(Keithely 4200)在不同光照密度下进行测量。
3、结果和讨论
如图1ac所示，通过一步法成功地制备了长度为毫米、宽度为几十微米的CH3NH3PbBr3钙钛矿微纤维，而没有复杂的气相沉积[26'。反溶剂是无污染的去离子水。图1d显示了纤维中的中空结构。微纤维的能量色散x光光谱图显示了铅和溴元素在纤维中的均匀分布(图1eef)。溴和铅的比例用能谱仪定量分析，结果为46/16，非常接近CH3NH3PbBr3中的化学计量比(图S1)。进行XRD以表征微纤维的晶体结构，如图1g所示。有机铅卤化物钙钛矿在室温下具有立方相结构(空间群Pm3m)。图1g中的结晶峰理想地与CH3NH3PbBr3的立方相一致。[27，28]图1i示出了具有对应于(200)和(211)晶格间距的0.295纳米和0.24纳米清晰晶格条纹的微纤维的HRTEM图像。在SAED图像(图1i)中可以观察到清晰的衍射斑点，这进一步验
证了CH3NH3PbBr3 [16的单晶晶格结构。
图2、钙钛矿微纤维暴露在大气中的时间不同；钙钛矿微纤维的光学和荧光显微术；钙钛矿微纤维的荧光光谱。
通过原位XRD测试研究了从溶液状态到固态膜的演化过程。图2a显示了微纤维结晶的关键点。详细的结晶过程可以在图S2中观察到。在XRD图像中没有观察到结晶峰，只有两个以30°和42.5°为中心的峰，表明在溶液状态下没有发现结晶钙钛矿微纤维。这表明钙钛矿微纤维最初在溶液中是无定形的。钙钛矿微纤维的结晶强度随着时间的推移逐渐增加。溶液暴露于空气中6小时后，出现了几个清晰的结晶峰。钙钛矿在9小时内完成结晶，具有明显的结晶峰。根据这一观察，我们发现尽管在与水的混合溶液中处理，仍可形成具有高结晶度的钙钛矿微纤维。
图3、钙钛矿微纤维的光学显微照片、荧光强度和荧光寿命图；(d)从荧光寿命图中提取的荧光衰减曲线。
钙钛矿微纤维被引入叉指金电极以形成原型光电二极管。该器件结构如图4a所示。间隙宽度和电极宽度分别为10毫米和20毫米。cur-的依赖性光子照明强度的租金密度如图4b所示，从中可以观察到非常低的暗电流。当入射光的强度增加时，光电流相应地增加。由于能级差和欧姆接触，电子和空穴将分别从钙钛矿纤维转移到金电极的两侧。图4c示出了在几个循环中重复切换入射光时的光电流密度。光电流随着开/关操作而敏感地变化。
4、结论
总之，我们已经成功地通过水自组装方法制备了单晶结构的一维钙钛矿微纤维。时间分辨荧光作图揭示了微纤维特定区域的不同光物理动力学，这在系综测量中可以忽略。基于钙钛矿微纤维的光电探测器具有高灵敏度和合理的开/关比。这些发现说明钙钛矿尺寸控制的重要性及其对光电器件发展的潜力。
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