水性自組裝鈣鈦礦微纖維 學習翻譯
用於靈敏光電探測器的水性自組裝鈣鈦礦微纖維
關鍵詞:鈣鈦礦微纖維光物理光電探測器
摘要
採用水自組裝方法合成了高結晶度鈣鈦礦微纖維。用原位x光衍射研究了鈣鈦礦的結晶動力學，表明最佳結晶時間為9 h。空間和時間分辨熒光測量清楚地顯示了鈣鈦礦微纖維界面和體區的不同複合機理。基於鈣鈦礦微纖維的光電探測器由於高結晶度和相對長的載流子壽命而表現出高的光響應靈敏度和開關比。該研究將有利於低維鈣鈦礦的合成和光電子應用。
1、介紹
雜化鈣鈦礦因其在太陽能電池等光電領域的巨大應用潛力而備受關注發光二極管，激光器，光電探測器和鐵電器件。它們的大吸收係數、高電荷載流子遷移率、低陷阱密度、長電子空穴擴散長度和可調電子帶隙為溶液處理多功能器件領域的快速發展做出了貢獻。鈣鈦礦器件穩定性差是商業應用的障礙。鈣鈦礦薄膜將在潮溼的空氣中降解，導致器件效率降低。界面工程和封裝技術用於阻止鈣鈦礦薄膜與環境溼度的接觸。不過，楊等人。指出水分有利於改善鈣鈦礦薄膜質量、晶粒尺寸和載流子遷移率。與此同時，斯奈斯和他的同事強調，暴露在溼氣中會導致光伏電池更高的開路電壓器件和更長的光致發光壽命。因此，水分對鈣鈦礦薄膜形成過程的影響仍然是矛盾的。
另一方面，光激發載流子動力學因其對鈣鈦礦器件的重要性而成為研究的熱點。最近，在鈣鈦礦薄膜中發現了光子再循環機制，這有利於提高鈣鈦礦器件的吸收效率。諸如時間分辨熒光光譜、瞬態吸收光譜和太赫茲光譜複製光譜技術已經被應用於評估載流子工作機制。不同的衰變過程歸因於表面附近或體區的載流子複合。小組強調，微觀不同區域的系綜測量平均值可能會產生誤導。詳細的信息將在大範圍內被忽略。我們以前的工作也發現特定區域不同於整體光譜特性的不同熒光衰減過程。因此，有必要採用空間和速度分辨光學技術，為微區載流子遷移提供直接證據。
圖1、鈣鈦礦微纖維的光學圖像；不同放大率鈣鈦礦微纖維的掃描電鏡圖像；鈣鈦礦微纖維中溴和鉛的元素分佈圖；鈣鈦礦微纖維的XRD圖譜；鈣鈦礦微纖維的HRTEM和SAED。
2、實驗部分
將PbBr2 (0.69克)和CH3NH3Br (0.21克)分別溶解在5 ml二甲基甲酰胺(DMF)中，然後將兩種溶液混合在一起。向混合溶液中加入去離子水，二甲基甲酰胺和去離子水的比例為1∶1。混合溶液保持72小時，以允許鈣鈦礦在室溫下自組裝成微纖維。光電探測器是通過將溶液中的微纖維轉移到叉指電極上製成的。
使用里加庫·烏里瑪四號x光衍射儀進行XRD測量。用能譜儀掃描電子顯微鏡檢查微纖維的微觀結構和化學分佈。選區電子衍射(SAED)和高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)由透射電子顯微鏡(JEM2100，日本電子株式會社有限公司)測量。穩態和時間分辨光致發光(TRPL)圖譜由共焦光學顯微鏡(納米纖維FLEX2，東京儀器公司)結合電荷耦合器件(DU420A-OE，Anand或)和時間相關單光子計數(TCSPC)模塊(SPC-150，貝克爾&希克)收集。400納米的激發光是由飛秒鈦藍寶石激光器(貴州茅臺酒惠普，光譜物理)在80兆赫下倍頻產生的。該裝置採用可編程電壓電流酸度計(Keithely 4200)在不同光照密度下進行測量。
3、結果和討論
如圖1ac所示，通過一步法成功地製備了長度為毫米、寬度為幾十微米的CH3NH3PbBr3鈣鈦礦微纖維，而沒有複雜的氣相沉積[26'。反溶劑是無汙染的去離子水。圖1d顯示了纖維中的中空結構。微纖維的能量色散x光光譜圖顯示了鉛和溴元素在纖維中的均勻分佈(圖1eef)。溴和鉛的比例用能譜儀定量分析，結果為46/16，非常接近CH3NH3PbBr3中的化學計量比(圖S1)。進行XRD以表徵微纖維的晶體結構，如圖1g所示。有機鉛鹵化物鈣鈦礦在室溫下具有立方相結構(空間群Pm3m)。圖1g中的結晶峰理想地與CH3NH3PbBr3的立方相一致。[27，28]圖1i示出了具有對應於(200)和(211)晶格間距的0.295納米和0.24納米清晰晶格條紋的微纖維的HRTEM圖像。在SAED圖像(圖1i)中可以觀察到清晰的衍射斑點，這進一步驗
證了CH3NH3PbBr3 [16的單晶晶格結構。
圖2、鈣鈦礦微纖維暴露在大氣中的時間不同；鈣鈦礦微纖維的光學和熒光顯微術；鈣鈦礦微纖維的熒光光譜。
通過原位XRD測試研究了從溶液狀態到固態膜的演化過程。圖2a顯示了微纖維結晶的關鍵點。詳細的結晶過程可以在圖S2中觀察到。在XRD圖像中沒有觀察到結晶峰，只有兩個以30°和42.5°為中心的峰，表明在溶液狀態下沒有發現結晶鈣鈦礦微纖維。這表明鈣鈦礦微纖維最初在溶液中是無定形的。鈣鈦礦微纖維的結晶強度隨著時間的推移逐漸增加。溶液暴露於空氣中6小時後，出現了幾個清晰的結晶峰。鈣鈦礦在9小時內完成結晶，具有明顯的結晶峰。根據這一觀察，我們發現儘管在與水的混合溶液中處理，仍可形成具有高結晶度的鈣鈦礦微纖維。
圖3、鈣鈦礦微纖維的光學顯微照片、熒光強度和熒光壽命圖；(d)從熒光壽命圖中提取的熒光衰減曲線。
鈣鈦礦微纖維被引入叉指金電極以形成原型光電二極管。該器件結構如圖4a所示。間隙寬度和電極寬度分別為10毫米和20毫米。cur-的依賴性光子照明強度的租金密度如圖4b所示，從中可以觀察到非常低的暗電流。當入射光的強度增加時，光電流相應地增加。由於能級差和歐姆接觸，電子和空穴將分別從鈣鈦礦纖維轉移到金電極的兩側。圖4c示出了在幾個循環中重複切換入射光時的光電流密度。光電流隨著開/關操作而敏感地變化。
4、結論
總之，我們已經成功地通過水自組裝方法制備了單晶結構的一維鈣鈦礦微纖維。時間分辨熒光作圖揭示了微纖維特定區域的不同光物理動力學，這在系綜測量中可以忽略。基於鈣鈦礦微纖維的光電探測器具有高靈敏度和合理的開/關比。這些發現說明鈣鈦礦尺寸控制的重要性及其對光電器件發展的潛力。
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