Science：TEM表征探索钙钛矿晶体稳定性

纳米技术

2020-10-30

多晶混合金属卤化物钙钛矿材料薄膜的光电、光伏应用非常重要，因为大部分材料的晶界附近会由于载流子散射导致性能衰减，因为在高强度的电子束作用中材料结构会迅速降解，导致无法通过电子显微镜方式研究材料的降解过程。有鉴于此，牛津大学Peter D. Nellist、Laura M. Herz等报道了通过低剂量电子束的扫描透射显微镜和先进成像技术对FAPbI₃薄膜材料研究，结果显示钙钛矿材料中的A位点能够保持，而且PbI₂杂质和FAPbI₃之间有完好的对齐，多晶界面间存在原子级干净的晶界结构。该发现为钙钛矿薄膜非常好的重新形成能力提供了比较深入的理解，界面上无应力/位错，多余的PbI₂前体分子反而能够增强薄膜的稳定性。

本文要点：

（1）

通过低剂量扫描透射电子显微镜（STEM）技术研究了钙钛矿薄膜的微结构，通过在碳包覆的Cu TEM微栅上热蒸发沉积薄膜FAPbI₃、MAPBI₃，对钙钛矿晶界、缺陷、分解进行研究。在低剂量低角度环形暗场（LAADF）STEM中观测立体相FAPbI₃薄膜，发现暴露在电子束的过程中，首先发生损失FA⁺，在规则钙钛矿晶格中产生部分FA⁺消除。该过程首先由电子束导致随机性消除FA⁺，随后FA⁺发生重新定向。以上中间体结构说明了钙钛矿晶体能够承受较大程度的偏差，以及如何能够从结构破坏中恢复。

（2）

对钙钛矿界面原子排布情况进行研究，发现多余的PbI₂前体分子在钙钛矿薄膜中较为常见，FAPbI₃、MAPbI₃晶体之间能够无缝的进行生长，而且能够对体相晶体结构进行位错形成结构连贯的晶界过渡，因此导致晶体结构失配和应力得到缓解。PbI₂以较高的取向分布在钙钛矿晶体附近，结果说明PbI₂可能作为钙钛矿材料生长过程中的晶种，从而改善钙钛矿电池性能。

参考文献

Mathias Uller Rothmann, Judy S. Kim, Juliane Borchert, Kilian B. Lohmann, Colum M. O’Leary, Alex A. Sheader, Laura Clark, Henry J. Snaith, Michael B. Johnston, Peter D. Nellist*, Laura M. Herz*

Atomic-scale microstructure of metal halide perovskite, Science 2020, 370, 6515, eabb5940

DOI: 10.1126/science.abb5940

https://science.sciencemag.org/content/370/6516/eabb5940