美科学家制备出卤化物钙钛矿半导体：有望引领新一代光电器件！

导读

一种新型半导体有望应用于我们身边的高清显示器。最近，美国能源部所属劳伦斯伯克利国家实验室的科学家们展示了一种半导体，称为“金属卤化物钙钛矿”，它能从单根纳米线发出多种鲜艳的颜色，分辨率小到500纳米。

关键字

量子点、柔性半导体、纳米、光电

背景

前不久，笔者在《基于石墨烯和量子点的图像传感器：应用前景广阔！》一文中为大家介绍过量子点技术，或许许多朋友还有印象。

量子点是指一系列极小的半导体粒子，三个维度的尺寸都在100纳米以下。由于尺寸极小，其内部电子在不同方向上的运动都会受限，所以其光学和电子属性不同于大型粒子，能具有量子限域效应、表面效应、量子隧道效应、介电限域效应等特殊物理效应。

最重要的一点就是，半导体粒子处于纳米级的尺寸，不同尺寸的量子点会发射出不同频率的光，在可见光频谱范围内，最明显的就是颜色的变化。

（图片来源于：维基百科）

因为量子点只用一种材料，就可发出各种波长的光，所以有科学家甚至认为，“量子点有可能是人类有史以来发现的最优秀的发光材料”。此外，量子点发光材料的色彩纯度非常高。现在，各大厂商例如三星、TCL等等，都纷纷将自己的量子点显示器产品推向市场。

虽然量子点显示技术是一种新兴技术，但是它仍主要依赖于传统的半导体纳米晶体发出光线。然而是否会出现更新的技术，对于现有的量子点显示技术构成挑战呢？

创新

上述问题的答案很明显是肯定的。现在一种新型半导体有望应用于我们周围的高清显示器。最近，美国能源部所属劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的科学家们展示了一种半导体，称为“金属卤化物钙钛矿”（halide perovskites），它能从单根纳米线发出多种鲜艳的色彩，分辨率小到500纳米。

图片上半部分显示出在紫外光的激发下CsPbBr3、CsPbCl3异质结分别同时发出绿色和蓝色的光线。下半部分显示CsPbI3、CsPbBr3、CsPbCl3分别放出红色、绿色、蓝色光线。

(Credit: Letian Dou/Berkeley Lab 和 Connor G. Bischak/UC Berkeley)

这项研究成果发表于这周的《美国国家科学院院刊》。

技术

研究人员使用电子束蚀刻技术制备出金属卤化物钙钛矿纳米线异质结，它是两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。在器件应用中，异质结决定了能级和能带隙特性，因此被认为是现代电子和太阳能光伏器件的关键组成部分。

研究人员指出：金属卤化物钙钛矿中的晶格，通过离子键而不是共价键，聚集在一起。对于离子键和共价键的区别，高中化学教科书中有过相关介绍，我们再来回顾一下：

离子键是由原子之间的电子转移而形成的，即正离子和负离子之间由于静电引力所形成的化学键。相反，共价键是原子间共同使用它们的外层电子所形成的化学键。

Berkeley Lab 资深科学家、这项研究的首席调查员 Peidong Yang 称：

“通过无机金属卤化物钙钛矿，我们能在离子键中轻易地交换阴离子，同时保持材料的单晶体特性。因此我们能轻易地重新配置材料的结构和组成。这也是金属卤化物钙钛矿被称为柔性晶格半导体的原因。相反，共价键则相对强健，需要更多的能量来改变。我们的研究基本上证明，我们几乎能改变这种柔性半导体任何部分的组成。”

在这个案例中，研究人员测试了铯铅卤钙钛矿。然后，他们使用一种普通的纳米制备技术结合阴离子交换化学，交换出卤化物离子，产生出CsPbI3、CsPbBr3、CsPbCl3。

每种类型的化合物都会发出不同颜色的光线。此外，研究人员展示多个异质结可以设计在单根纳米线上。它们能够完成像素尺寸为500纳米，且他们判定材料的颜色在整个可见光范围内可调。

CsPbCl3 (蓝色) 和 CsPbBr3 (绿色) 交替组成的平面。

(Credit: Letian Dou/Berkeley Lab 和 Connor G. Bischak/UC Berkeley)

研究人员称针对这种柔性离子键半导体的化学溶液处理技术，比用于制备传统的胶体半导体的方法更加简单。Yang的实验室的博士后研究员、论文合著者 Letian Dou 称：

“对于传统的半导体来说，制备这种结是相当复杂和昂贵的。通常，要在高温和真空条件下，进行控制材料的生长和掺杂。精确控制材料的组成和特性也是一项挑战，由于强共价键的缘故，传统的半导体比较‘硬’。”

为了在柔性半导体材料中交换阴离子，在室温条件下，该材料浸泡于一种特殊的化学溶液中。

价值

加州大学伯克利分校的化学教授 Yang 称：

“这是一项简单的工艺，且非常易于扩展。你无需干净的房间，无需花费很多时间，也无需高温条件。”

同时，这项技术也促进了光电器件、太阳能光伏、纳米激光和超灵敏光电探测器等新型应用的开发。

研究人员正在持续提升这种柔性半导体的分辨率，也正努力将它们集成到电路中。

参考资料

【1】http://newscenter./2017/06/26/halide-perovskites-soft-semiconductors-hd-displays/

【2】http://www./content/early/2017/06/20/1703860114.abstract

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