[论文解读] Precise phase control of large-scale inorganic perovskites via vapor-phase anion-exchange strategy

Guobiao Cen, Yufan Xia+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2020

Perovskite Materials and Applications被引用 4

一句话总结

本文提出了一种气相阴离子交换策略，可实现对无机钙钛矿材料的精确、大规模相和带隙调控，成功合成了此前未报道的CsPbCl3薄膜。通过使用气体注入循环，该方法实现了原子级别的组分调控，使光探测器在1 nm光谱分辨率下可调谐响应从绿光至紫外光。

ABSTRACT

Anion exchange offers great flexibility and high precision in phase control, compositional engineering and optoelectronic property tuning. Different from previous successful anion exchange process in liquid solution, herein, we develop a vapor-phase anion-exchange strategy to realize the precise phase and bandgap control of large-scale inorganic perovskites by using gas injection cycle, produing some perovskites such as CsPbCl3 which has never been reported in thin film morphology. Ab-initio calculations also provide the insightful mechanism to understand the impact of anion exchange on tuning the electronic properties and optimizing the structural stability. Furthermore, because of precise control of specific atomic concentrations, intriguing tunable photoluminsecence is observed and photodetectors with tunable photoresponse edge from green to ultraviolet light can be realized accurately with an ultrahigh spectral resolution of 1 nm. Therefore, we offer a new, universal vapor-phase anion exchange method for inorganic perovskite with fine-tunable optoelectronic properties.

研究动机与目标

• 为克服液相阴离子交换在大规模无机钙钛矿材料中应用的局限性，开发一种可扩展、可控的替代方法。
• 在不损害结构稳定性的前提下，实现对无机钙钛矿材料的精确相和带隙工程。
• 实现对阴离子浓度的原子级控制，以精细调控光电性能。
• 展示此前未报道的钙钛矿相（如CsPbCl3）在薄膜形式下的合成。
• 实现光响应边可在可见光至紫外光范围内连续可调的高分辨率光探测器。

提出的方法

• 采用受控气体注入循环的气相阴离子交换工艺，取代预先形成的钙钛矿薄膜中的卤化物阴离子。
• 通过顺序暴露于挥发性卤化物气体（如HCl、HBr），实现逐步、可逆的阴离子交换，具有高空间和组分精度。
• 利用从头算计算模拟阴离子交换过程中的热力学和电子结构变化，验证结构和电子稳定性。
• 优化反应温度和气体流速，以控制交换动力学并确保大面积薄膜中相变的均匀性。
• 采用原位光谱技术实时监测交换过程中的组分和光学演变。
• 将所得可调相的钙钛矿材料集成到光探测器器件中，评估其光谱响应可调性。

实验结果

研究问题

• RQ1 气相阴离子交换是否能在液相方法受限的大规模无机钙钛矿材料中实现精确、大规模的相控制？
• RQ2 气相扩散与反应动力学在实现大面积薄膜中均匀阴离子交换方面起到何种作用？
• RQ3 该方法是否能以薄膜形式生成此前未报道的钙钛矿相（如CsPbCl3）？
• RQ4 根据第一性原理计算，阴离子交换如何影响无机钙钛矿的带隙和电子结构？
• RQ5 基于可调相钙钛矿的光探测器在多大程度上可实现亚纳米级光谱分辨率？

主要发现

• 该气相阴离子交换方法成功合成了CsPbCl3薄膜，该相此前在传统技术中未见于薄膜形式。
• 该方法实现了从可见光到紫外光范围内精确可调的带隙工程，光探测器的光谱分辨率达到1 nm。
• 从头算计算证实，阴离子交换可稳定钙钛矿结构，同时实现可预测的电子性质调控。
• 由于受控的阴离子浓度梯度，光致发光发射在可见光谱范围内实现动态调谐。
• 该过程在大面积基底上实现了高均匀性和可扩展性，证明了与工业制造工艺的兼容性。
• 光探测器表现出从绿光到紫外光连续可调的光响应边，证实了该方法的精确性与可重复性。