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超薄雜化鈣鈦礦納米片的相和異質結構工程

發布時間：2020-08-28 作者：harry 分享到：

2004年以來，以石墨烯、過渡金屬硫化物為代表的二維原子晶體材料憑借其獨特的光電特性引起了關注。二維原子晶體材料是指厚度在原子層級別的晶體材料，具有超薄、柔性、高強度、易裁剪、能帶可調、量子效應強等特點。因為縱向維度的極端限制，長程有序的晶體結構被破壞，二維材料表現出了很多與三維體材相異的特性，在新材料、新能源、新器件等方面受到廣泛關注與研究。同時，鈣鈦礦類材料也是當今學術界和工業界的明星材料，從無機的鐵電壓電、高溫超導、巨磁阻效應和固態離子電解質，到近年來炙手可熱的有機無機雜化太陽能電池，鈣鈦礦都無所不在。由于雜化鈣鈦礦的組成及結構的靈活性和多變性，該類材料可以由多種不同類型的有機或無機離子組成，展現出許多**的物理、化學性質和獨特的功能特性，在能源、顯示、信息、材料、催化、存儲、傳感等多個領域都大放異彩。

二維鈣鈦礦原子晶體材料即將鈣鈦礦材料減薄至原子級厚度，能將二維材料和鈣鈦礦晶體這兩類新型功能材料的優勢**結合，既具有小厚度的幾何屬性，又有超強量子效應，還保持優越的光電性能，展示新奇物理特性。因此，鈣鈦礦材料在二維尺度上的拓展，揭示關鍵材料的化學組成、晶體結構、納米尺度與材料能級、光學性質、界面特性的關系，有利于開發新的材料領域和晶體類型，發現新的物理特性和器件機理，對制備功能化微納器件都具有著重要的科學意義和應用價值。

西北工大黃維院士&南京工大王琳團隊和合作者以超薄碘化鉛納米片為模板，采用兩步法制備了多種雜化鈣鈦礦納米片。該方法產量高，且不依賴于襯底類型，合成出的鈣鈦礦納米片具有質量好、組分可調、規則形狀等特點。通過控制有機陽離子的插入與脫離，在單一納米片上可以實現碘化鉛與不同鈣鈦礦之間的可逆轉換。例如，PbI₂納米片與氣相的MAI反應生成MAPbI₃納米片，該MAPbI₃納米片經過退火處理，可退變為PbI₂納米片，回收來的PbI₂納米片可以被重新利用，生長鈣鈦礦納米片。此外，也可以通過有機陽離子替換，實現不同類型鈣鈦礦納米片之間的種類切換。例如，通過控制反應條件，MAPbI₃納米片與氣象FAI反應可以直接生成FAPbI₃納米片。基于兩步法生長的鈣鈦礦納米片，利用二維材料作為掩模板，可以對鈣鈦礦進行圖案化處理，同時獲得超薄碘化鉛與鈣鈦礦納米片的平面型異質結。結合鈣鈦礦納米片與其他二維材料構筑垂直型異質結，能對材料的光電性質起到調制作用。例如，MoS₂/MAPbI₃之間形成的II型能帶排列引起了MAPbI₃納米片的發光淬滅與壽命縮短。多種類雜化鈣鈦礦納米片及其異質結的靈活設計與制備，有望促進二維材料新奇物理現象的發現，拓展鈣鈦礦材料在微納光電器件領域的應用。

雜化鈣鈦礦納米片的靈活設計與制備，及其與多種二維材料的結合，為在二維材料家族中發現新的物理性能和功能化應用提供了更多的可能性，同時也拓展了鈣鈦礦材料在可調諧微納光電器件領域中的應用。相關論文在線發表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202002392)上。

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