金屬鹵化物鈣鈦礦（Metal Halide Perovskite, MHPs）作為一種新型功能材料，在過去十年中經(jīng)歷了飛躍式發(fā)展，迅速成為光電子研究領(lǐng)域的舞臺焦點(diǎn)。有機(jī)-無機(jī)鹵化物鈣鈦礦兼具有機(jī)材料的可溶液加工特點(diǎn)和無機(jī)材料優(yōu)異的光電性能，具有高吸收系數(shù)、長的激子擴(kuò)散距離、高的載流子遷移率、低的激子結(jié)合能等優(yōu)異的光物理性質(zhì)，其光電器件表現(xiàn)出制備工藝簡單、生產(chǎn)成本低廉、柔性性能優(yōu)異、光電性能突出等特點(diǎn)，在下一代信息顯示、健康醫(yī)療、光通信和可再生能源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

近日，西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院黃維院士、冉晨鑫副教授聯(lián)合南京工業(yè)大學(xué)夏英東教授團(tuán)隊(duì)，以“Metal Halide Perovskite for Next-Generation Optoelectronics: Progresses and Prospects”為題在卓越計(jì)劃高起點(diǎn)新刊eLight發(fā)表綜述論文。

該綜述系統(tǒng)梳理了鈣鈦礦光電子學(xué)的發(fā)展歷程，介紹了鈣鈦礦材料獨(dú)特的光電特性起源及其優(yōu)異的可調(diào)特質(zhì)，綜述了鈣鈦礦在光電子領(lǐng)域變革性技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，并對未來面臨的挑戰(zhàn)及其相應(yīng)對策進(jìn)行了探討。

圖1：藝術(shù)效果圖：下一代光電子領(lǐng)域引領(lǐng)者：金屬鹵化物鈣鈦礦基光電器件靈活可調(diào)的光電特性

在典型的ABX?鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，B位于八面體[BX?]??團(tuán)簇的中心，形成角共享八面體BX?框架，陽離子A則有12個(gè)鄰近原子，占據(jù)八面體BX?框架的空隙。特別是[PbI?]??，價(jià)帶最大值(VBM)由Pb(6s)和I(5p)原子態(tài)的反鍵軌道形成，導(dǎo)帶最小值(CBM)由Pb(6p)和I(5s)原子態(tài)的反鍵軌道形成。得益于該獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，通過相變、維度、組分及幾何結(jié)構(gòu)等調(diào)控工程（圖2），可對鈣鈦礦材料實(shí)現(xiàn)大范圍、靈活、便捷的光電特性調(diào)制。

圖2：基于維度工程的鈣鈦礦光電特性調(diào)控
圖源:  Small 17, 2100809 (2021).  Nat. Nanotechnol. 11, 872-877 (2016).  Light. Sci. Appl. 10, 61 (2021).  Adv. Mater.30, 1801996 (2018).  Nat. Rev. Mater. 4, 169-188 (2019)

▍日益廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域

光的發(fā)射、吸收、調(diào)制和傳輸?shù)冗^程的高效調(diào)控是實(shí)現(xiàn)多種多樣功能性光電器件的核心。由于MHPs優(yōu)異且可調(diào)的光電特性，作為光收集/光發(fā)射活性層， MHPs在太陽能電池、發(fā)光二極管、光電探測器及激光器等光電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用（圖3）。

圖3：不同鈣鈦礦基光電器件中的光物理過程
圖源: Trends Chem. 3, 34-46 (2021)

▍顛覆性的變革技術(shù)

與傳統(tǒng)光電器件相比，MHPs基光電器件表現(xiàn)出高效率、高靈活性、易柔性化和多功能性，使得基于MHPs的光電元器件在能量采集/轉(zhuǎn)換、成像/傳感、顯示/通信、制造/醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，有望推動(dòng)功能集成系統(tǒng)、信息顯示系統(tǒng)、電子通信系統(tǒng)、健康醫(yī)療系統(tǒng)等造福人類的革命性技術(shù)發(fā)展進(jìn)程（圖4）。

圖4：鈣鈦礦光電子技術(shù)的顛覆性應(yīng)用領(lǐng)域

▍總結(jié)與展望

金屬鹵化物鈣鈦礦取得了令人矚目的研究進(jìn)展，具有誘人的發(fā)展前景。然而，盡管在光伏、發(fā)光、探測及激光領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但要鈣鈦礦基光電器件的大規(guī)模應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。一是穩(wěn)定性方面，相比外在水、熱等不穩(wěn)定問題（可通過工業(yè)級封裝得到解決），其結(jié)構(gòu)內(nèi)部不穩(wěn)定來源（如離子遷移）需要更加重視。二是毒性方面，是未來大面積應(yīng)用不可避免的一大挑戰(zhàn)，既要關(guān)注器件“制備—應(yīng)用—回收”整個(gè)生命周期過程中預(yù)防污染措施的部署，未來也應(yīng)建立相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)。可以預(yù)見的是，在未來十年中，金屬鹵化物鈣鈦礦將處于“光”時(shí)代的聚光燈下，為推動(dòng)人類社會發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

| 論文信息 |

Dong, H., Ran, C., Gao, W. et al. Metal Halide Perovskite for next-generation optoelectronics: progresses and prospects. eLight 3, 3 (2023). 

https://doi.org/10.1186/s43593-022-00033-z

閱讀原文