曾海波团队：原子级超薄无机钙钛矿及可印刷柔性器件！

二维半导体材料具有超轻超薄超柔的沟道、较高的迁移率等特点，是后摩尔时代微电子及光电子器件所需要的一类重要新材料。而目前发现的主要二维材料，包括石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等，都很难同时满足适当带隙宽度、高迁移率、高稳定性等关键要求。

 

相对于石墨与二硫化钼来说，钙钛矿材料，尤其是全无机组分钙钛矿（CsPbX₃，X=Cl，Br，I）具有更高的吸光能力（吸光率比有机染料高10倍）、非常大的载流子扩散长度、以及高的稳定性等优异性能。因此，二维无机钙钛矿将是柔性及可穿戴光电器件，比如光探测器，的极佳候选材料。

 

其问题在于：受强离子性以及立方晶相制约，超薄（单层、少层）CsPbBr₃二维钙钛矿的大产率高质量实现仍然非常困难。

 

有鉴于此，南京理工大学曾海波教授团队采用溶液化学合成方法，制备了高质量、大产率、单层及少层厚度的全无机钙钛矿CsPbBr₃超薄纳米片。将无机钙钛矿发展成具有可印刷光电器件功能的新型二维半导体。

 

 

图1. CsPbBr₃超薄纳米片

 

图2. CsPbBr₃超薄纳米片微观结构

 

首先，他们采用长烷链表面配体，诱导晶体的定向生长，使得立方相结构的钙钛矿形成二维的片状结构。所制备的纳米片平均厚度为3.3 nm，直径可达~2 μm。这些超薄纳米片在空气中稳定，且极易分散在各种有机溶剂中，形成稳定的高度分散的墨水，因此适合通过低成本、易操作的旋涂、滴涂、喷涂、喷墨打印等各种印刷工艺组装大面积、无裂纹的高质量薄膜及器件。

 

随后，他们发现CsPbBr₃纳米片组装膜表现出优异的光电效应以及光探测性能。所制备的光探测器件的光开关比高达10⁴；展现出了非常高的响应度，光响应上升和下降时间分别为19 μs和25 μs；基于柔性衬底的纳米片探测器具有高度的折叠稳定性，能够在持续弯曲10000次后，电流与未弯曲初始值相比波动小于3%，这对柔性、可穿戴光探测器非常重要；具有极高的环境氛围光稳定性，在10 mW cm⁻² 的激光辐照12小时后，电流的波动小于2.6%。

 

以上结果表明，这种全无机钙钛矿纳米片，作为一类新型的2D半导体材料，除了有望应用于高性能柔性光探测领域，在低成本溶液工艺的超薄柔性薄膜晶体管、发光二极管、太阳能电池等光电子领域中具有广泛的应用前景。

 

图3. 可印刷的柔性二维钙钛矿光探测器

 

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Jizhong Song, Haibo Zeng et al. Monolayer and Few-Layer All-Inorganic Perovskites as a New Family of Two-Dimensional Semiconductors for Printable Optoelectronic Devices. Advanced Materials, 2016.