深圳先進(jìn)院喻學(xué)鋒團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)仿鎧甲型柔性光探測(cè)器
近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料所喻學(xué)鋒、何睿團(tuán)隊(duì),在高水平國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Advanced Science在線發(fā)表研究論文“Flexible All-Inorganic Perovskite Photodetector with a Combined Soft-Hard Layer Produced by Ligand Cross-Linking”。該成果聚焦柔性光電器件中高穩(wěn)定柔性活性層制備困難的問題,提出了一種“軟硬結(jié)合”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略,通過有機(jī)硅烷水解縮聚在鈣鈦礦表面進(jìn)行原位薄層修飾制備出仿鎧甲型全無(wú)機(jī)鈣鈦礦活性層,很好地平衡了穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和柔韌性之間的關(guān)系。本工作不僅拓展了鈣鈦礦納米晶在光電子器件中的應(yīng)用,也為納米晶活性層柔性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)引入了新思路,在未來(lái)柔性電子領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。喻學(xué)鋒研究員和何睿副研究員為本文通訊作者,史桐雨博士生為本論文第一作者,陳曦博士生為本文的共同第一作者。

線上論文截圖
柔性光電探測(cè)器是可穿戴設(shè)備、可折疊顯示器和生物醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的關(guān)鍵組件,但其廣泛使用受限于半導(dǎo)體的脆性及生長(zhǎng)加工的高成本。相比于傳統(tǒng)高溫制備的半導(dǎo)體材料,通過溶液法低溫制備的高性能膠體納米晶憑借其廉價(jià)易得的優(yōu)勢(shì)有望成為推動(dòng)柔性光探測(cè)器和彎曲晶體器件發(fā)展的重要材料。
全無(wú)機(jī)鈣鈦礦是近年來(lái)得到飛速發(fā)展的半導(dǎo)體納米材料之一,具有高光吸收系數(shù)、高載流子遷移率、較長(zhǎng)的擴(kuò)散載流子長(zhǎng)度、可調(diào)諧帶隙、缺陷容忍性等光電特性。通過噴涂、旋涂、滴涂等方式可以直接將納米晶與柔性襯底集成在一起,極大地簡(jiǎn)化了光電器件的制備流程,且成本低廉,易于進(jìn)行大規(guī)模制備。不過,由納米粒子形成的薄膜其柔韌性和光電性能主要由配體與核心粒子結(jié)合的緊密程度以及配體與配體之間的相互作用決定。雖然小分子配體可以通過配位作用穩(wěn)定納米晶界面,但對(duì)環(huán)境中水、氧、熱等因素對(duì)于鈣鈦礦的侵蝕問題起到的保護(hù)作用有限。通過與聚合物復(fù)合可以有效解決上述柔韌性和穩(wěn)定性問題,但是鈣鈦礦納米晶在聚合物基體中的分散性差,體積占比低,導(dǎo)致聚合物基納米晶復(fù)合材料的導(dǎo)電性通常極差,無(wú)法在光電器件中進(jìn)行應(yīng)用。因此,迫切需要開發(fā)一類穩(wěn)定性高,柔韌性好,導(dǎo)電性佳的鈣鈦礦納米晶復(fù)合材料應(yīng)用于柔性光電子領(lǐng)域。
深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的喻學(xué)鋒、何睿團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一問題,提出了一種“軟硬結(jié)合”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略,通過有機(jī)硅烷水解縮聚在鈣鈦礦表面進(jìn)行原位薄層修飾制備出仿鎧甲型全無(wú)機(jī)鈣鈦礦活性層,很好地平衡了穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和柔韌性之間的關(guān)系。選用的氟硅烷1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷通過與Pb和Br的相互作用連接到鈣鈦礦表面,為鈣鈦礦提供有效的表面鈍化和保護(hù),同時(shí)末端的的Si-Cl鍵水解產(chǎn)生硅羥基,并進(jìn)一步縮合形成均勻的薄層Si-O-Si網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),包覆在鈣鈦礦的表面。經(jīng)過薄層包覆后的鈣鈦礦納米晶在水中浸泡3天和高溫高濕的環(huán)境下(85℃,85%相對(duì)濕度)老化54 h后依然表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。不僅如此,與常見的聚合物基納米晶復(fù)合材料不同,本工作中制備的超薄修飾層并未導(dǎo)致材料絕緣,緊密排列的納米顆粒陣列可以實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦納米晶體間的電子傳遞,保持了優(yōu)異的光電性能。 此外,與純化的納米晶體薄膜(E ~ 5.2 GPa)相比,CsPbBr3@FDTS薄膜的彈性模量降至2.75 GPa,與柔性襯底的相容性和抗形變能力大幅提升,基于此活性層制備的紫外探測(cè)器的響應(yīng)度為13.60 mA/W,比探測(cè)率為7.75×1010 Jones,經(jīng)過5000次循環(huán)彎曲測(cè)試后依然保持了初始性能的78%,表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作為鈣鈦礦材料開拓了新的應(yīng)用方向,同時(shí)也為高質(zhì)量納米晶活性層柔性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一種有效策略,具有很大科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。
該研究工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、深圳市杰青及中科院特別研究助理等項(xiàng)目的資助。

柔性探測(cè)器設(shè)計(jì)及活性層表征
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