高压实现材料的亚稳态

作者:科技材料

高压实现材料的亚稳态

[据每日航天网2018年12月28日报道]一个国际研究小组开发出一种技术,首次将单晶杂化钙钛矿材料集成到电子产品中。钙钛矿可以在低温下合成这一进展打开了柔性电子产品新研究的大门,并有可能降低电子设备的制造成本。

近日,北京高压科学研究中心研究员刘罡团队,与美国北伊利诺伊大学、西北大学、阿贡国家实验室和中科院上海应用物理所等合作,成功利用了在高压条件下物质非晶化和退压重结晶的现象,实现了二维结构有机无机杂化钙钛矿的亚稳态。相关研究已在线发表在美国《国家科学院院刊》上。

混合钙钛矿材料含有有机与无机两种成分,可以从油墨中合成,使其易于在精密卷绕对位的技术下进行大面积制造。这些材料是太阳能电池、发光二极管 (LEDs) 与光电探测器应用广泛研究的对象。然而,将单晶杂化钙钛矿集成到更经典的电子器件(如晶体管)中仍存在挑战。

据介绍,亚稳态材料具有其稳定态没有的特殊性质,因此在科学研究和工程应用上受到广泛关注。迄今为止,材料的亚稳态通常需要借助升温快速冷却等变温手段来达到。然而这类依靠加热冷却的方法在应用于受热易分解的有机物质上面临着很大的挑战。

单晶杂化钙钛矿更可取,因为比起多晶材料,单晶材料具有更优良的性能;而多晶材料缺陷更多,对材料的电子性能产生不利影响。

科研人员表示,此类退压后的亚稳态二维杂化钙钛矿表现出了很大程度的光带隙缩小和在65%相对湿度条件下的长期稳定性,其中最大的带隙缩小达到了8.25%。结合第一性原理计算,该研究结果确认了压力可制备出其他热力学过程无法达到的亚稳态材料。

将单晶杂化钙钛矿结合到电子产品中所面临的挑战源于这样一个事实:使用传统技术合成的宏观晶体具有粗糙、不规则的边缘。这使其难以与在电子设备中使得高质量触点成为必要的材料集成。

这项研究理清了压力循环后钙钛矿材料性能得到提高的根源。优异的亚稳态性能也为应用在太阳能电池领域的杂化钙钛矿提供了进一步优化物质特性、提升光电转化效率的可能,同时也为高压材料研究开辟了新的方向。

研究人员通过在两个层压表面之间合成混合钙钛矿晶体来解决这个问题,实际上创造的是一个单晶杂化钙钛矿三明治。钙钛矿符合上下两面的材料,从而在材料之间形成一个清晰的界面。底层和表层,三明治中的“面包”,可以是从玻璃载玻片到嵌入电极的硅片的任何东西,从而形成现成的晶体管或电路。

另外,研究人员可以通过选择用于钙钛矿化学组成的不同卤化物来进一步微调钙钛矿的电性能。卤化物的选择决定了材料的带隙,这影响所产生的半导体的颜色外观,并且导致在使用高带隙钙钛矿时产生透明甚至不易察觉的电子器件。

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