鈣鈦礦再登Science：具有高穩定性、高發光效率的MOF基無機鈣鈦礦

【研究背景】

鹵化鉛鈣鈦礦（LHPs）表現出可調諧帶隙、高電荷載流子移動性和明亮的窄帶光致發光（PL），與傳統的硅基和二元II-VI、III-V和IV-VI半導體材料相比，這些材料可以為光電子應用提供優勢。尤其是在太陽能電池、發光材料、傳感器以及光催化領域均具有很強的應用前景。這些特點有望使得該系列材料超越傳統的基于硅以及雙元素半導體材料在光電器件領域實現大規模的廣泛應用。然而，目前的鉛鹵素鈣鈦礦尤其是純無機體系的半導體材料仍然面臨著穩定性、缺陷控制及重金屬環境毒性的問題亟待解決。例如在太陽能電池及紅光LED領域常用的CsPbI₃材料對光照、水分子、極性有機分子、溫度、氧氣以及溫度都很敏感。尤其是其具有光電活性的鈣鈦礦晶體相往往只存在于高溫條件下，隨著降溫該種材料會自發地轉變為非鈣鈦礦晶體相，從而喪失其功能性。因此，如何利用一種簡便的方法來解決這一系列問題就成為了鈣鈦礦材料應用領域的關鍵瓶頸問題。

【成果簡介】

近日，澳大利亞昆士蘭大學侯經緯博士、王連洲教授聯合來自巴黎大學、澳洲及歐洲同步輻射研究中心、利茲大學、英國劍橋大學Thomas D. Bennett教授和利茲大學Sean M. Collins教授等聯合制備了一種基于金屬有機骨架（MOF）玻璃和全無機鈣鈦礦的復合材料。研究人員利用傳統的液相燒結技術加工了一系列的全新復合材料，證明了該種工業領域廣泛應用的燒結技術可以適用于MOF玻璃及鈣鈦礦晶體這一全新的材料組合。可加工的復合材料對浸入水和有機溶劑以及暴露在熱、光、空氣和環境濕度中表現出很高的穩定性。光致發光至少比純鈣鈦礦大兩個數量級。玻璃在高激光激發下穩定鈣鈦礦，并且在浸水10000小時后仍保持約80%的光致發光。該文章近日以題為“Liquid-phase sintering of lead halide perovskites and metal-organic framework glasses”發表在知名頂刊Science上。

【圖文導讀】

圖一、CsPbI₃ MOF玻璃復合材料的制備、晶體結構和光學性能

圖二、液相燒結過程中CsPbI₃ MOF玻璃復合材料晶體結構和顆粒尺寸以及界面成鍵作用的變化

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圖三、300℃ 燒結的CsPbI₃ MOF玻璃復合材料微觀尺寸的相分布

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圖四、CsPbI₃ MOF玻璃復合材料的穩定性和加工性能

【全文總結】

綜上所述，通過液相燒結LHP和金屬有機框架（ZIF）玻璃制造的一系列可擴展復合材料。具體來說，將混合物在不同溫度（高達350℃）下燒結，然后在流動的氬氣（Ar）下用液氮淬火（稱為低溫淬火）。所得復合材料，稱為(CsPbI3 )_0.25 (agZIF-62)_0.75，顯示出XRD特征與亞穩態γ-CsPbI3相一致，強度隨著燒結溫度的升高而逐漸增加，在燒結過程中觀察到的重量損失可以忽略不計。玻璃充當LHP的基質，通過界面相互作用有效地穩定非平衡鈣鈦礦相。這些相互作用還會鈍化LHP表面缺陷，并賦予明亮的窄帶光致發光，具有寬色域，用于制造白色發光二極管（LED）。同時，可加工的復合材料對浸入水和有機溶劑以及暴露在熱、光、空氣和環境濕度中表現出很高的穩定性。光致發光至少比純鈣鈦礦大兩個數量級。玻璃在高激光激發下穩定鈣鈦礦，并且在浸水 10000小時后仍保持約80%的光致發光，具有良好的應用前景。

文獻鏈接：Liquid-phase sintering of lead halide perovskites and metal-organic framework glasses (Science 2021, doi: 10.1126/science.abf4460)

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