具有高单分散性和接近单位光致发光量子产率的混合钙钛矿纳米晶体
研究背景:
有机–无机混合钙钛矿纳米晶体（PNCs，APbX3，A = 甲酰胺铵、甲基铵，X = Cl、Br、I）是一类具有重要应用前景的半导体材料，广泛应用于太阳能电池、发光二极管（LEDs）、激光器等光电器件领域。与传统的II-VI、III-V家族的纳米晶体相比，钙钛矿纳米晶体因其优良的光电性能，如高光致发光量子产率（PLQY）、窄发射线宽、大吸收截面和长激子相干时间，成为近年来研究的热点。尤其是在太阳能电池和LED等应用中，钙钛矿材料的表现远超传统半导体材料。然而，这些材料仍面临着合成过程中难以控制的生长速率、尺寸分布宽化和晶体质量差等问题，尤其是在有机–无机混合钙钛矿纳米晶体的合成中，快速的反应动力学使得其生长时间通常仅为几秒钟，导致难以获得高均匀性和高质量的PNCs。
针对这一挑战，苏州大学马万里教授、刘泽柯副教授等人在Nature Synthesis期刊上发表了题为“Diffusion-mediated synthesis of high-quality organic–inorganic hybrid perovskite nanocrystals”的最新论文。该团队提出了一种基于扩散介导的合成策略，通过选择溶解度适中的铅前体（如Pb(SCN)2）作为铅源，显著延缓了反应动力学。Pb(SCN)2作为铅的储存库，在整个反应过程中持续提供铅源，保证了反应的稳定性和均匀性。这一策略成功将合成时间从通常的几十秒延长至180分钟，同时保持了纳米晶体尺寸的集中分布。利用这一方法，研究人员成功合成了具有高单分散性和接近单位光致发光量子产率的高质量混合钙钛矿纳米晶体。
该研究为合成高性能混合钙钛矿纳米晶体提供了新的思路和技术路径，特别是在扩大合成规模和优化光电性能方面具有重要的应用潜力。通过这一方法合成的PNCs将在光电器件的应用中展现出更高的效率，并推动该领域的进一步发展。
研究亮点
1. 实验首次采用扩散介导合成方法，得到了高单分散性和接近单位光致发光量子产率的有机–无机混合钙钛矿纳米晶体（PNCs）。 通过选择具有适当溶解度的铅前体Pb(SCN)2，作为铅源提供持续的铅供应，实验成功实现了混合PNCs的高质量合成。
2. 实验通过控制铅源溶解度，显著减缓了反应动力学，成功延长了反应时间。 该策略将混合PNCs的合成时间从传统的数十秒延长至180分钟，从而避免了快速聚集或生长过程中的不均匀性问题，保持了纳米晶体的尺寸集中。
3. 通过扩散介导的动力学实现了大规模合成高质量混合PNCs，且具有良好的光电性能。
该方法不仅使得PNCs保持较高的单分散性，还提高了其光致发光量子产率（PLQY），达到了接近单位的水平，表明该合成方法能够有效地提高PNCs的质量，适用于大规模制备。
图文解读图1. 杂化卤化铅PNCs的生长机理。
图2. 监测常规合成和扩散介导法合成的FAPbI3纳米晶体的生长。
图3. 尺寸变化的动力学研究。
图4. 扩散介导合成方法扩展到有机-无机杂化FAPbX3 (X=I, Br, Cl) PNCs胶体合成。
图5. 扩散介导合成方法扩展到有机-无机杂化MAPbX3 (X = I, Br, Cl) PNCs胶体合成。
图6. FAPbI3纳米晶体薄膜的载流子动力学。
结论
展望本文开发了一种合成具有*高单分散性和接近单位光致发光量子产率（PLQY）的有机–无机混合钙钛矿纳米晶体（PNCs）的策略。作者的方法是通过利用Pb(SCN)2在反应溶液中的有限溶解度，设计了一个扩散介导的生长模型。在该模型中，随着单体在反应中的消耗，Pb(SCN)2逐渐溶解并维持单体浓度。此外，未溶解的固体Pb(SCN)2增加了单体向纳米晶体表面扩散的距离，使得生长过程完全处于扩散介导的阶段。因此，混合PNCs的总体形成时间可以延长到惊人的180分钟，同时保持狭窄的尺寸分布，这比传统方法（几秒钟到几分钟）慢了一个数量级。这一延长的时间窗口为进一步的合成设计（掺杂、核壳结构、异质结构等）提供了机会，并促进了生产规模的扩大。
文献信息：Sun, X., Yuan, L., Liu, Y. et al. Diffusion-mediated synthesis of high-quality organic–inorganic hybrid perovskite nanocrystals. Nat. Synth (2024).
https://doi.org/10.1038/s44160-024-00678-3