研究背景
有機–無機混合鈣鈦礦納米晶體（PNCs，APbX3，A = 甲酰胺銨、甲基銨，X = Cl、Br、I）是一類具有重要應用前景的半導體材料，廣泛應用于太陽能電池、發光二極管（LEDs）、激光器等光電器件領域。與傳統的II-VI、III-V家族的納米晶體相比，鈣鈦礦納米晶體因其優異的光電性能，如高光致發光量子產率（PLQY）、窄發射線寬、大吸收截面和長激子相干時間，成為近年來研究的熱點。尤其是在太陽能電池和LED等應用中，鈣鈦礦材料的表現遠超傳統半導體材料。然而，這些材料仍面臨著合成過程中難以控制的生長速率、尺寸分布寬化和晶體質量差等問題，尤其是在有機–無機混合鈣鈦礦納米晶體的合成中，快速的反應動力學使得其生長時間通常僅為幾秒鐘，導致難以獲得高均勻性和高質量的PNCs。針對這一挑戰，蘇州大學馬萬里教授、劉澤柯副教授等人在Nature Synthesis期刊上發表了題為“Diffusion-mediated synthesis of high-quality organic–inorganic hybrid perovskite nanocrystals”的最新論文。該團隊提出了一種基于擴散介導的合成策略，通過選擇溶解度適中的鉛前體（如Pb(SCN)2）作為鉛源，顯著延緩了反應動力學。Pb(SCN)2作為鉛的儲存庫，在整個反應過程中持續提供鉛源，保證了反應的穩定性和均勻性。這一策略成功將合成時間從通常的幾十秒延長至180分鐘，同時保持了納米晶體尺寸的集中分布。利用這一方法，研究人員成功合成了具有高單分散性和接近單位光致發光量子產率的高質量混合鈣鈦礦納米晶體。 該研究為合成高性能混合鈣鈦礦納米晶體提供了新的思路和技術路徑，特別是在擴大合成規模和優化光電性能方面具有重要的應用潛力。通過這一方法合成的PNCs將在光電器件的應用中展現出更高的效率，并推動該領域的進一步發展。
研究亮點
1. 實驗首次采用擴散介導合成方法，得到了高單分散性和接近單位光致發光量子產率的有機–無機混合鈣鈦礦納米晶體（PNCs）。通過選擇具有適當溶解度的鉛前體Pb(SCN)2，作為鉛源提供持續的鉛供應，實驗成功實現了混合PNCs的高質量合成。2. 實驗通過控制鉛源溶解度，顯著減緩了反應動力學，成功延長了反應時間。該策略將混合PNCs的合成時間從傳統的數十秒延長至180分鐘，從而避免了快速聚集或生長過程中的不均勻性問題，保持了納米晶體的尺寸集中。3. 通過擴散介導的動力學實現了大規模合成高質量混合PNCs，且具有良好的光電性能。 該方法不僅使得PNCs保持較高的單分散性，還提高了其光致發光量子產率（PLQY），達到了接近單位的水平，表明該合成方法能夠有效地提高PNCs的質量，適用于大規模制備。
圖文解讀
圖2. 監測常規合成和擴散介導法合成的FAPbI3納米晶體的生長。
圖4. 擴散介導合成方法擴展到有機-無機雜化FAPbX3 (X=I, Br, Cl) PNCs膠體合成。圖5. 擴散介導合成方法擴展到有機-無機雜化MAPbX3 (X = I, Br, Cl) PNCs膠體合成。
結論展望
本文開發了一種合成具有極高單分散性和接近單位光致發光量子產率（PLQY）的有機–無機混合鈣鈦礦納米晶體（PNCs）的策略。作者的方法是通過利用Pb(SCN)2在反應溶液中的有限溶解度，設計了一個擴散介導的生長模型。在該模型中，隨著單體在反應中的消耗，Pb(SCN)2逐漸溶解并維持單體濃度。此外，未溶解的固體Pb(SCN)2增加了單體向納米晶體表面擴散的距離，使得生長過程完全處于擴散介導的階段。因此，混合PNCs的總體形成時間可以延長到驚人的180分鐘，同時保持狹窄的尺寸分布，這比傳統方法（幾秒鐘到幾分鐘）慢了一個數量級。這一延長的時間窗口為進一步的合成設計（摻雜、核殼結構、異質結構等）提供了機會，并促進了生產規模的擴大。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
