北理工在钙钛矿材料的A位分子设计和制备方面取得突破进展


  近日,北京理工大学材料学院钟海政课题组在钙钛矿材料A位分子的设计和制备方面取得突破进展,于2019年9月6日在材料领域的顶级期刊《Advanced Materials》上在线发表, Halogenated-Methylammonium Based 3D Halide Perovskites,  Advanced Materials  2019, 31, 1903830 ()。论文发表后很快获得“纳米人”等学术媒体关注和报道。

  卤化物钙钛矿是一类可溶液加工的新型光电子材料,已经在光伏、电致发光、激光、铁电等方面取得突破性进展,成为重要的前沿科学领域之一。钙钛矿材料优异的光电特性主要与其铅卤八面体[PbX6]4-连接和A位分子填隙的ABX3结构相关,因此寻求新的钙钛矿材料是取得原始创新,推动应用发展的主要方向之一。A位分子的掺杂是取得高性能光电器件的决定性因素之一,然而受结构容忍因子的限制,目前仅有铯(Cs,1893年)、甲胺(MA,1978年)和甲脒(FA,1995年)三种可供选择。尽管理论学家早就预测了卤代甲胺盐是一类有潜力的A位分子,成为新型三维钙钛矿材料,提升和拓展其光电性质和应用特性,然而由于卤代甲胺不稳定,其制备成为学术界的难题之一。

  钟海政课题组是国际上最早报道钙钛矿量子点研究的研究团队之一。前期研究中,他们发明的钙钛矿量子点的再沉淀制备技术和原位制备技术,已经成为制备钙钛矿量子点的经典方法之一,被同行广泛使用,代表性工作包括ACS Nano 2015 , 9, 4533-4542, Google引用913次; Advanced Materials 2016, 28, 9163-9168,Google引用209次;Angew Chem 2017, 56, 1780-1783; ACS Nano 2018, 12, 8808-881; Advanced Functional Materials 2018, 1706567;Advanced Functional Materials 2019, 1903648。最近,该课题组发展了卤代甲铵盐的制备方法,采用亲核反应机理,利用氨气与卤代甲烷反应,解决了卤代甲胺盐难以制备的难题,成功合成了系列卤代甲胺盐,利用所合成的氟取代甲胺盐(FMABr)制备出3D FMAPbBr3钙钛矿单晶和量子点材料,材料表征表明该类钙钛矿材料热稳定性较好,激子结合能较小。该研究打破了三维钙钛矿的材料设计中A位分子的限制,为钙钛矿光电器件应用提供了新的材料选择,有望进一步推动钙钛矿材料的光电器件研究。

图1 卤代铵盐及其钙钛矿三维结构示意图,FMAPbBr3钙钛矿单晶和FMAPbBr3钙钛矿量子点

  上述研究成果的完成利用了学校跨学科平台“低维量子结构与器件实验室”和材料学院“先进材料实验中心”的研究条件,得到国家自然科学基金优秀青年基金(61722502)和重点基金项目(61735004)的支持。论文第一作者为博士研究生黄胜,通讯作者为钟海政教授,光谱表征获得了华中科技大学强磁场中心韩俊波教授的支持,单晶解析由我校机电学院王林老师完成,研究生黄鹏、博士后王雷和陈宇特别研究员参与了该项研究。

  

附第一作者黄胜简介:

  黄胜,材料学院2016级博士生,主要开展新型钙钛矿材料设计及合成方面的研究,已经发表SCI论文15篇,以第一申请人提交国内发明专利申请6项,其中1项提交PCT国际专利申请。

  部分论文目录:

  1、Adv. Mater. 2019, 31, 1903830.第一作者

  2、Sci Bull. 2018, 63, 1254-1259. 第一作者

  3、Angew Chem. 2017, 56, 1780-1783. 共同第一

  4、J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 11705-11715. 共同第一

  5、Adv. Mater. 2018, 30, 1800544. 第二作者

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