【二维钙钛矿材料的研究现状与进展综述2100字】

二维钙钛矿材料的研究现状与进展综述从俄国地质学家Perovski发现钙钛矿（CaTiO3）至今已有将近两百年的时间，钙钛矿的应用也变得更加广泛。如今的钙钛矿材料指那些具有和CaTiO3具有类似八面体结构的晶体，化学通式为ABX3,其中A一般为有机阳离子，B为金属阳离子，X为卤素阴离子。它的结构特征是以金属阳离子B和卤素阴离子X连接形成八面体并嵌在以A位离子为顶点的四方体中的具有5个原子的立方结构。图1-2三维钙钛矿材料ABX3的晶体结构这种A位为有机阳离子，B为金属阳离子的ABX3型钙钛矿被定义为有机-无机杂化钙钛矿。这种钙钛矿结合了有机组分和无机组分的优点，所以有着适当的直接带隙、高的吸收系数、高载流子传输性、明显的缺陷宽度、热稳定，且成本低、易加工、成分（卤化物框架，夹层）有很高的可协调性等性质，在光、电、磁等方面表现出优异的性能，在太阳能电池、光电探测器领域具有广阔的应用前景。但是三维的有机-无机杂化钙钛矿存在着无法回避的缺点，稳定性较差，在空气中的温度、湿度和光照稳定性不佳。而且因为该材料中含有有毒的Pb2+离子、存在难以大面积制备等问题，阻碍了钙钛矿的实际应用。钙钛矿的稳定性及晶体结构可以由容忍因子（t）和八面体因子（μ）所决定，其中，t=RA+RX2(R影响钙钛矿材料稳定性的原因主要有湿度、紫外线照射和受热三方面[6]。当钙钛矿材料暴露于高湿度环境时，它们会与水反应形成水合钙钛矿相，如单水合物（CH3NH3PbI3·H2O）和二水合物((CH3NH3)4PbI6·2H2O）。最终，由于水分子和高吸湿性甲基之间的相互作用引起晶体之间化学键的分离，导致钙钛矿分解为PbI2，分解过程如图1-3所示。图1-3钙钛矿晶体与水结合分解的过程示意图（图片引自文献[7]）与湿度相关的稳定性问题不同，紫外线照射也能够影响钙钛矿材料稳定性，在干燥的空气中，二维钙钛矿薄膜会逐渐劣化，其原因在于器件表面的钙钛矿层会被分解为甲胺、I2和PbI2，极大地破坏了钙钛矿的稳定性，2I—↔I2+2e−（1）3CH3NH+3↔3CH3NH2+3H+（2）I−+I2+3H++2e−↔3HI（3）受热也是影响钙钛矿材料稳定性的另一重要因素。2006年Y.Zheng等人的一项研究表明钙钛矿的不稳定性与晶界（GB）的表面有关[8],在2016年的一篇文献中，S.Huang提出了用适当的晶格覆盖晶界（GB），可以有效地保护材料，大大提高了钙钛矿材料的稳定性[9]。我们都知道，钙钛矿材料会受到温度的影响，为了避免由于高温而分解，最合适的选择是使用耐热材料。前人们为了找到合适的材料已经进行了许多研究，S.Aharon等人在2014年利用甲基胺三溴化铅（CH3NH3PbBr3）作为光吸收物实现了即使在经过1000小时的老化之后仍能保持初始PCE值的93%[10]。在K.A.Bush等人的研究中，他们发现若将三维钙钛矿材料替换成二维钙钛矿材料，器件的稳定性能够超过1000小时[11]，Smith等人的报告指出，基于n=3的二维钙钛矿材料表现出比原型MAPbI3更好的稳定性[12]。图1-4三维钙钛矿与二维钙钛矿的TGA曲线(图片引自文献[6])这些研究给我们提供了另一种思路，我们可以将大的有机官能团嵌入到三维钙钛矿中形成二维层状钙钛矿，可以形成绝缘保护层保护材料，还可以让有机绝缘层在钙钛矿材料内的分布呈平行于基板方向，这样一来加入了大量的有机氨基阳离子，载流子沿垂直于基板方向的传输受到了阻碍，从而减少光电设备的转换效率并且导致短路。因为材料内部存在着大体积有机胺粒子，所以可以调整不同的大体积胺离子来改变二维钙钛矿材料的结构。这些手段使得二维钙钛矿材料的稳定性相较于三维钙钛矿材料大大提高。这种新型二维钙钛矿材料的化学通式为(RNH3)2An-1BnX3n+1式中A、B、X分别与三维钙钛矿结构中的符号表示相同，R为有机官能团，n为堆叠的对称共角八面体层数。n=1对应纯二维层状结构；n=∞则构成三维结构；n为其他整数时，所形成的是准二维层状结构，如图1-5。图1-5二维层状钙钛矿到三维钙钛矿结构示意图（图片引自文献[13]）参考文献[1]Rauch,T.;Böberl,M.;Tedde,S.F.;Fürst,J.;Kovalenko,M.V.;Hesser,G.;Lemmer,U.;Heiss,W.;Hayden,O.,Near-infraredimagingwithquantum-dot-sensitizedorganicphotodiodes.NaturePhotonics2009,3,332.[2]Gao,X.;Cui,Y.;Levenson,R.M.;Chung,L.W.;Nie,S.,Invivocancertargetingandimagingwithsemiconductorquantumdots.NatBiotechnol2004,22,969.[3]Rogalski,A.;Antoszewski,J.;Faraone,L.,Third-generationinfraredphotodetectorarrays.JournalofAppliedPhysics2009,105,091101.[4]董宇辉.基于溶液工艺的低维半导体光电探测器构筑及其性能研究[D].南京理工大学,2018.[5]G.Rose.BeschreibungeinigerneuenMineraliendesUrals[J].AnnalenderPhysik,1839,124(12):551-573[6]WangR,MujahidM,DuanY,etal.AReviewofPerovskitesSolarCellStability[J].AdvancedFunctionalMaterials,2019.[7]郑海英.新型高稳定钙钛矿材料的研究[D].中国科学技术大学,2019.[8]Y.Zheng,G.Wu,M.Deng,H.‐Z.Chen,M.Wang,B.‐Z.Tang,ThinSolidFilms2006,514,127;[9]S.Huang,Z.Li,L.Kong,N.Zhu,A.Shan,L.Li,J.Am.Chem.Soc.2016,138,5749.[10]S.Aharon,B.E.Cohen,L.Etgar,J.Phys.Chem.C2014,118,17160.[11]K.A.Bush,A.F.Palmstrom,Z.J.Yu,M.Boccard,R.Cheacharoen,J.P.Mailoa,D.P.McMeekin,R.L.Z.Hoye,C.D.Bailie,T.Leijtens,I.M.Peters,M.C.Minichetti,N.Rolston,R.Prasanna,S.Sofia,D.Harwood,W.Ma,F.Moghadam,H.J.Snaith,T.Buonassisi,Z.C.Holman,S.F.Bent,M.D.McGehee,Nat.Energy2017,2,17009.[12]I.C.Smith,E.T.Hoke,D.Solis‐Ibarra,M.D.McGehee,H.I.Karunadasa,Angew.Chem.,Int.Ed.2014,53,11232;[13]张恒康,冀婷,李国辉,韩娜,王英奎,王文艳,郝玉英,崔艳霞.二维材料光电探测器的研究进展[J].半导体技术,2020,45(01):43-51[14]StoumposConstantinosC.,CaoDuyenH.,ClarkDanielJ.,etal.,Ruddlesden-PopperHybridLeadIodidePerovskite2DHomologousSemiconductors[J].Chemistr