Adv. Mater. ：實現高度有序3D鈣鈦礦納米線陣列制備的新工藝

【引言】

納米線（NWs）和納米棒這類準一維（Q-1D）的半導體納米結構，若將它們限制在其他二維結構中，會給材料內部的載流子及聲子提供一維的傳輸通道。這種特性使得NWs可具備獨特的電學與光學性質，從而在許多設備如晶體管、二極管、存儲器和傳感器中有著潛在的應用。另外，若將雜化鈣鈦礦這類具優異光學及電學性質的材料與NWs結合在一起，將會進一步促進光電設備的發展。但是，這類具高密度和幾何高度可控性的鈣鈦礦NWs在生長工藝上依然是一個難題。

【成果簡介】

近期，香港科技大學的Zhiyong Fan（通訊作者）等人在Adv. Mater. 上發表題為“3D Arrays of 1024-Pixel Image Sensors based on Lead Halide Perovskite Nanowires”的論文，該研究團隊首次通過特殊的氣-固-固相反應（VSSR）過程成功在納米工程模板上制備出大尺寸，高度有序的3D鈣鈦礦納米線（NW）陣列。此方式將材料固有的性質與NW陣列的高密度集成性結合在一起，推進其在3D的集成納米電子/光電工程上的應用。并利用此項技術裝配成具1024像素的圖像傳感器，進一步證實此工藝有著廣闊的應用前景。

【圖文導讀】

圖一、3D鈣鈦礦NW陣列的結構圖

(a) 32×32 MAPbI3 NW圖像傳感器的層層堆積結構

(b) 協助垂直排列、高密度的MAPbI3 NW 陣列生長的PAM模板示意圖：b1)NW生長前PAM里的Pb。b2) PAM中的局部MAPbI3 NW生長。b3)PAM內完成生長的MAPbI3 NW。

圖二、MAPbI3 NW的表征

(a) NW生長前PAM內的Pb的BSE圖像

(b)和(c)分別為生長過程完成后，PAM內的MAPbI3 NW的截面圖與俯視圖

(d) NW生長前（黑色曲線）、10 min后（藍色曲線）及1h后（黑色曲線）PAM的XRD圖譜

(e)PAM中生長的MAPbI3 NW陣列的PL（綠色曲線）和UV-vis（紫色曲線）。內嵌圖：內部NWs和PAM計算得到的光發布圖。

圖三、MAPbI3 NW的性能測試

(a) 性能測試裝置圖示

(b) 不同光照強度（白光）下的I-V曲線。內嵌圖：黑暗條件及零誤差下，單像素設備的能帶結構

(c) 不同光照強度（白光）曝光下的電流強度

(d) +0.3V偏壓響應率及靈敏度的測量

(e) 0.1 Hz(e1)和1Hz(e2) 開關頻率下對白光(4.6 mW cm-2)的光敏反應。

(f) +0.3V偏壓和白光(4.6 mW cm-2)下的響應時間分析

圖四、由MAPbI3 NW組裝的圖像傳感器性能測試

(a) 安裝在印刷電路板的圖像傳感器照片

(b) 測試裝置圖示

(c) 字母“H”的原圖及設備反映圖

(d) 心形圖案的原圖及設備反映圖

五、柔性NW陣列圖像傳感器的錄像采集功能測試

(a) 虛線箭頭表示了一個光斑的移動路線

(b) 光斑沿著移動路線行駛了一半的路程

(c) 安裝在PCB上用于測量的完曲的柔性傳感器設備的照片

(d) 在彎曲的圖像傳感器上的圓形圖案的圖片及其投影圖

(e) 校正后得到的圓形圖案的圖片

【小結】

利用氣-固-固相反應（VSSR）過程可在PAM模板上制備出大尺寸，高密度的3D MAPbI3 NW陣列。這種高度規整有序的陣列結構使得每個獨立的NWs都可以實現電學上的定址訪問，確定其作為超大規模集成電路（VLSI）電子設備和光電設備的潛在應用。結合了鈣鈦礦材料優異的電學及光學性質，這種3D NW陣列必將在光電設備領域上發揮其廣闊的應用前景，如太陽能電池、光電探測器和發光二極管等。相信在不久的將來，這種制作工藝的應用也會進一步拓寬新型多功能設備的設計。

文獻鏈接：3D Arrays of 1024-Pixel Image Sensors based on Lead Halide Perovskite Nanowires（Adv. Mater.，2016，DOI：10.1002/adma.201601603）

本文由材料人編輯部電子電工學術組大黑天供稿，材料牛編輯整理。

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