...與工程學院張樹宇課題組實現超寬時間窗口的反溶劑輔助鈣鈦礦成膜

2021-02-08 復旦大學

近日，復旦大學信息科學與工程學院電光源研究所副研究員張樹宇課題組利用稀土離子摻雜實現了超寬時間窗口的反溶劑輔助鈣鈦礦成膜。3月10日，該研究成果以「Trivalent-Neodymium Additive Modulated MAPbBr3 Perovskite Nucleation and Growth: Ultrawide Processing Window for One-Step Fabrication of Efficient Light-Emitting Perovskites」為題發表在《先進電子材料》（Advanced Electronic Materials）雜誌，並被選為封面文章（Inside Back Cover）。

  

圖1 Advanced Electronic Materials雜誌三月份的Inside Back Cover

近年來，鈣鈦礦光電子器件發展迅猛，展現出優異的性能，受到學界和業界的廣泛關注。然而，鈣鈦礦薄膜製備中最常用的反溶劑輔助溶液法對反溶劑滴加工藝要求嚴苛，反溶劑滴加需要精確把控在3-5秒的工藝窗口內，限制了其在商業化生產中的進一步應用和發展。課題組創新地提出了採用Nd3+稀土離子摻雜引入異質形核過程的方案，實現了18秒的超寬反溶劑工藝窗口，解決了原有工藝存在的痛點。

張樹宇課題組通過Nd3+稀土離子摻雜，不僅實現了超寬的反溶劑工藝時間窗口，同時摻雜後的MAPbBr3鈣鈦礦薄膜，其光效和穩定性大幅改善，在空氣中放置8個月後性能和結構仍保持穩定。這一研究成果為各類鈣鈦礦薄膜器件的規模化生產提供了有效策略。

此外，課題組對摻雜機理進行了深入分析，首次揭示了Nd3+引入的異質形核過程，闡釋了超寬工藝窗口的成因。相比於無摻雜鈣鈦礦的均質形核，異質形核的摻雜薄膜具有更優的結晶度和相純度。該研究的發現為稀土離子摻雜鈣鈦礦提供了新的理論視角。 

圖2 a）不同反溶劑滴加時間的MAPbBr3無摻雜薄膜（第一行）和MAPbBr3:Nd(5%)摻雜薄膜（第二行）的發光照片，滴加時間軸為相對最佳滴加時間的偏移量 。b）樣品R2，R3，R4，S1，S3和S5的SEM圖像。 c）和d）MAPbBr3無摻雜薄膜和MAPbBr3:Nd(5%)摻雜薄膜的穩定性：c）PLQY和照片，以及d）XRD譜。

圖3 反溶劑輔助溶液法的四個工藝階段以及摻雜與未摻雜薄膜的晶體生長過程

該研究工作得到國家自然科學基金 (No: 61705042，51677031，11975081)，上海市揚帆計劃（16YF1400700），上海市科技創新行動計劃（18JC1411500），科技部國家重點研發計劃（2017YFB0403603）的資助。

文章連結：https://doi.org/10.1002/aelm.201901162

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