[发明专利]一种钙钛矿纳米线的异质结及其制备方法

说明书

一种钙钛矿纳米线的异质结及其制备方法，属于新型半导体光电材料领域。通过反溶剂蒸气辅助液相重结晶法在FTO玻璃基板表面制备出高质量的CsPbBr₃单晶纳米线，其中CsPbBr₃单晶纳米线与FTO基板呈一定角度生长。之后，在充满氮气的手套箱中，将上述制备的CsPbBr₃单晶纳米线与FTO基板一起放入含有C₄H₉NH₃I的玻璃瓶中置于加热台上进行加热。利用气相离子交换，通过控制温度和时间，制备出具有浓度梯度的全无机CsPbBr_nI_3‑n纳米线异质结。本发明能够制得具有浓度梯度的CsPbBr_nI_3‑n全无机卤素钙钛矿纳米线异质结，这种通过气相离子交换得到的晶体质量高且能保持原有晶体的形貌。

技术领域

本发明属于新型半导体光电材料领域，涉及一种通过气相离子交换得到的全无机金属卤素钙钛矿纳米线异质结及其制备方法。

背景技术

卤素钙钛矿材料作为一种新的半导体材料展示出了超高的光致发光(PL)量子收益率(约90％)和相当高的载流子迁移率，这就使得人们能够制造出基于钙钛矿薄膜的光电转换效率高达25.2％太阳能电池和电致发光效率超过20％的发光二极管。此外，钙钛矿材料在可见范围内具有较高的介电常数，足以支持其纳米和微结构中的光学模式。这样的设计已经被研究来创造高效和紧凑的激光光源。金属卤素钙钛矿材料具有ABX₃化学式的钙钛矿晶体结构，A位一般为金属离子K⁺、Cs⁺、Rh⁺等，或有机分子MA⁺(CH₃NH₃⁺),FA⁺(NH₂CHNH₂⁺)等；B位多为Pb²⁺、Sn²⁺、Ge²⁺等；而X位主要是卤素离子Cl^-、Br^-、I^-。如今，人们可以用液相或气相方法快速的合成纯无机金属卤素钙钛矿材料，并能够根据需要制备出多晶和单晶材料。与多晶材料相比，单晶材料避免了因晶界和界面态等因素带来的影响。相比于宏观尺寸的单晶块材，纳米单晶的尺寸更接近于太阳能电池中活性层的厚度与层中晶粒大小，可以更加真实、准确地反映出器件中材料的自身性质。因此，纳米单晶对于材料内在的物理性质的研究具有更加深刻的理解。

相对于传统半导体材料来说，卤素钙钛矿晶体具有优异的光电特征，如较强的光吸收和发射特性、较宽的可调谐的禁带宽度、更高的激子结合能、较长的载流子扩散长度和较强的对晶格缺陷的容忍度等。近年来，低维单晶纳米结构金属卤素钙钛矿的合成取得了较大进展，已经能够通过控制大小、形状和混合卤化物组成来调节它们的带隙和发射波长等特征。有趣的是，研究表明，这些材料，无论是在块状还是在纳米晶状，都可以通过固-液或固-气界面进行快速的阴离子交换反应，其化学成分和光电性质可以进行调节。卤化钙钛矿的快速离子交换动力学与低缺陷形成能和大量空位的存在有关，这使得离子在晶格中具有很高的迁移率。与钙钛矿多晶薄膜相比，由于没有晶界和独特的一维几何结构，单晶纳米线为离子交换化学方法的产生和异质结的研究提供了理想的平台。单晶纳米线的一维几何结构和相对较小的直径确保了离子在径向的快速交换，而微米长度为研究结的光学和电学特性创造了自然通道。此外，相对较小的横截面积使纳米线更能耐受由晶格失配引起的界面应变。