卤化物钙钛矿的基本特性可能会开辟一个全新的应用世界

加州大学伯克利分校的化学家创造了一种发出蓝光的卤化钙钛矿晶体，而用这种新潮的新材料很难做到这一点。但是研究人员发现这些材料固有地不稳定，需要仔细控制温度和化学环境以保持其精确的颜色。但是，这种不稳定性可能还有其他应用。

加州大学伯克利分校的科学家用一种新的新型半导体材料卤化钙钛矿制成了一种蓝色发光二极管（LED），克服了在电子设备中采用这些廉价，易制造的材料的主要障碍。

然而，在此过程中，研究人员发现了钙钛矿卤化物的基本性质，可能证明了其作为太阳能电池和晶体管的广泛应用的障碍。

另外，这种独特的特性可能为钙钛矿开辟了一个全新的世界，远远超出了当今标准半导体的范围。

发射蓝色光的钙钛矿卤化物的晶体结构会随着从室温（300开尔文）到450开尔文（电子设备的典型工作温度）的加热而变化。结构上的变化会改变光的波长，从蓝色变为蓝绿色，这在电子产品中是不可接受的。

在今天（2020年1月24日）发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中，加州大学伯克利分校的化学家Peidong Yang及其同事显示，卤化物钙钛矿的晶体结构随温度，湿度和化学环境而变化，从而破坏了它们的光学和电子特性。 。如果不严格控制物理和化学环境，钙钛矿装置将固有地不稳定。对于传统半导体而言，这不是主要问题。

“有些人可能会说这是一个限制。对我来说，这是一个巨大的机会。“这是新的物理学：可以很容易地重新配置一类新的半导体，这取决于您所处的环境。它们可能是一个非常好的传感器，也许是一个很好的光电导体，因为它们对半导体非常敏感。对光和化学物质的反应。”

由硅或氮化镓制成的当前半导体在一定温度范围内非常稳定，这主要是因为它们的晶体结构通过牢固的共价键结合在一起。卤化物钙钛矿晶体通过较弱的离子键结合在一起，就像盐晶体中的离子键一样。这意味着它们更易于制造-可以从简单的解决方案中蒸发掉-而且还容易受潮，受热和其他环境条件的影响。

发射蓝色的卤化物钙钛矿晶体（n3结构）。

劳伦斯·伯克利国家实验室（伯克利实验室）的资深教员，加州大学伯克利分校材料科学与工程学教授杨（Yang）表示：“本文不仅仅是为了证明我们制造了这种蓝色LED。“我们还告诉人们，在设备运行期间，无论何时使用电流驱动钙钛矿，无论是LED，太阳能电池还是晶体管，我们都确实需要注意钙钛矿的结构演变。这是这种新型半导体的固有特性，将来会影响使用这种材料的任何潜在的光电器件。”

蓝色二极管蓝调

杨说，制造发出蓝光的半导体二极管一直是一个挑战。2014年诺贝尔物理学奖是由氮化镓创造的高效蓝色发光二极管的突破性奖项。当电流流过时会发光的二极管是光纤电路中的光电组件以及通用LED灯。

自2009年卤化物钙钛矿首次引起广泛关注以来，日本科学家发现它们可以制造高效的太阳能电池，因此这些易于制造且价格低廉的晶体引起了研究人员的兴趣。到目前为止，已经证明了发射红色和绿色的二极管，但是没有证明蓝色。卤化钙钛矿蓝色发光二极管一直不稳定，也就是说，随着使用它们的颜色会转变为更长，更红的波长。

正如Yang和他的同事所发现的，这是由于钙钛矿晶体结构的独特性质。卤化物钙钛矿由金属（如铅或锡），相等数量的较大原子（如铯）和三倍于卤化物原子（如氯，溴或碘）组成。

当这些元素在溶液中混合在一起然后干燥时，原子会组装成晶体，就像盐从海水中结晶出来一样。加州大学伯克利分校和伯克利分校的化学家使用一种新技术以及铯，铅和溴的成分，制造出发出蓝光的钙钛矿晶体，然后在斯坦福线性加速器中心（SLAC）用X射线轰击它们，以确定它们的晶体结构。各种温度。他们发现，当从室温（大约300开尔文）加热到大约450开尔文（半导体的正常工作温度）时，晶体的压扁结构会膨胀，并最终转变为新的正交或四边形结构。

由于这些晶体发出的光取决于原子的排列和原子之间的距离，因此颜色也会随温度而变化。钙钛矿晶体以300开尔文发出蓝光（波长为450纳米），突然以450开尔文发出蓝绿色光。

杨将钙钛矿的柔性晶体结构归因于卤化物原子典型的较弱的离子键。天然存在的钙钛矿矿物掺入氧气而不是卤化物，产生非常稳定的矿物。硅基和氮化镓半导体同样稳定，因为原子通过强共价键连接。

制作发出蓝色光的钙钛矿

Yang认为，很难形成发蓝光的钙钛矿二极管，因为将晶体生长为薄膜的标准技术会促进混合晶体结构的形成，而每个晶体都以不同的波长发射。电子在发射出趋于红色的光之前，会被聚集到具有最小带隙（即最小允许能量范围）的那些晶体中。

为避免这种情况，Yang的博士后研究员和共同第一作者-Chen Hong，Jia Lin和Joohoon Kang-生长了钙钛矿的单层晶体，并采用低技术方法制造石墨烯，使用胶带将单层钙钛矿剥离。均匀的钙钛矿。钙钛矿结合到电路中并通电时，发出蓝色光。实际的蓝色波长随八面体钙钛矿晶体的层数而变化，而八面体钙钛矿晶体的层数由一层有机分子彼此隔开，该有机分子层使钙钛矿层易于分离并保护了表面。

尽管如此，SLAC实验表明发蓝光的钙钛矿随温度改变了它们的发光颜色。杨说，该属性可以有有趣的应用。两年前，他展示了一种由钙钛矿卤化物制成的窗户，在阳光下变黑，在太阳下山时变透明，并产生光伏能量。

他说：“我们需要以不同的方式来考虑使用此类半导体。”“我们不应将卤化钙钛矿置于与硅等传统共价半导体相同的应用环境中。我们需要意识到，这类材料具有固有的结构特性，可以随时重新构造。我们应该利用它。”

参考：陈洪，贾林，康如洪，乔巧，卢迪兰，康军9，赖敏亮，李娜泉，林振妮，“单晶Ruddlesden-Pop卤化物钙钛矿蓝色发光二极管的结构和光谱动力学”，金建波，王林旺，迈克尔·托尼和杨培东，2020年1月24日，科学进展。
10.1126 / sciadv.aay4045

这项工作得到了美国能源部基础能源科学计划的支持。该论文的其他合著者是加州大学伯克利分校的乔乔，卢迪伦，赖敏亮，李娜权和金建波。伯克利实验室的Kang Jun，Linni Lin和Wang Lin-wang；和SLAC的Michael Toney。Chen目前就职于中国深圳的南方科技大学。林先生在上海电力大学工作。 Joohoon Kang在韩国首尔的成均馆大学就读。