可溶液加工纳米光电材料与器件

可溶液加工纳米光电材料与器件

孙利宏

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摘要：量子点发光材料（QDs）因其光色可调、发光峰窄、色纯度高等独特的发光性质而受到了广泛的关注。特别地，QDs具有可溶液加工性，采用溶液加工的方式制备的量子点发光二极管（QLEDs）表现出了长寿命、高亮度、轻薄、柔性可弯曲等优异的发光性能。采用溶液加工工艺制备QLEDs阴极，满足QLEDs制备工艺的适配性，实现低成本、大面积制造的重要方法。基于此，本文主要分析可溶液加工纳米光电材料与器件。

关键词：可溶液；加工纳米光电材料；器件

1概述

纳米材料的研究是现代物理研究的重要分支，由于纳米材料一维以上的尺寸处于纳米水平，材料的比表面积增大，其表面物理性质成为主导该材料的物理性质，同时材料物质的带隙能、坐标间的转变压力、熔点、沸点等物理性质量子点表现出与尺寸密切相关的光学和电学性质，用“自下而上”的方法合成新的纳米复合量子点所制备的纳米线在各种量子输运实验中表现出很大的潜力，例如，生长在GaAs衬底上的InAs纳米线网络由于分子束外延而另外，纳米线可以用于激光的制造，其发光宽度小于0.3nm，可以应用于光学计算和信息保存等领域，2004年，首次提出了简单剥离单层石墨烯的实验方法。尽管原子数有几个，但在一般环境下稳定性良好，且具有良好金属性的发现，迎来了二维纳米材料研究的高潮，并获得了2010年诺贝尔物理奖。这一新发现使二维纳米材料在许多领域迅速发展。例如，在高速RF光伏元件、热传导性导电强化复合材料、太阳能电池、储氢材料、传感器等领域，钙钛矿材料近年来在太阳能电池、发光、光电检测器等领域迅速发展，2009年东京大学制作的太阳能电池的转换效率仅为3.8%三维尺寸的有机-无机钙钛矿被应用于场效应晶体管和二极管等许多光电器件。与之相反，层状二维钙钛矿薄膜的光电转换率很低，为12.52%，但有机阳离子对面外电荷传输的限制，大大提高了其稳定性，在一定条件(AM1.5G)的照射下，维持60)的工作效率持续2250h，湿度采用在多孔金属氧化物膜中形成钙钛矿的顺序堆积法可以大幅度提高其性能的再现性。在极低的阈值下实现超稳定放大自发发光、超低的体缺陷密度、缓慢的俄歇复合，钙钛矿具有双极电荷传输特性，因此可以作为驱动激光的材料。顺便说一下，在单晶卤化物钙钛矿型纳米线激光中，激光量子效率接近100%，而且该纳米线容易生长和控制，卤化物钙钛矿是理想的光伏材料。在其他光伏装置如光电二极管中，卤化物钙钛矿具有较大的畴尺寸、罕见的陷阱、高迁移率、以及室温下自由的载流子。因此，这些特性由发光二极管有效地俘获非平衡电荷载流子，使混合物中的能带能够生成近红外、绿色、红色各波长的电致发光，另外，随着电流密度变高，卤化钙钛矿二极管的量子效率变高，成本变低。因此，在制造高效率且可进行颜色调整的发光装置方面备受期待，一部分光检测器中，卤化物钙钛矿型纳米粒子能够迅速且简单地再现卤化物离子交换反应。也就是说，可以简单地调节卤素离子浓度。在激光冷却中，钙钛矿晶体显示出强的光致发光转换效率和比较均匀的外部量子效率。因此，微米级的三维钙钛矿和二维钙钛矿型纳米片分别能够进行23.0和58.0K的纯冷却。另外,卤化物钙钛矿纳米材料在太阳能水分解等方面也表现出了优秀的性能。

2、光敏感钙钛矿纳米器件

2.1喷墨打印钙钛矿光探测器

近年来,复合钙钛矿材料CH3H3PbI3凭借其简单的溶液法制备工艺以及优异的光电特性,在太阳能电池领域取得了令人瞩目的成果。同时,CH3NH3PbI3合适的光学带隙、较高的吸光系数、较大的载流子迁移率以及较长的激子扩散长度等光电特性也有助于实现高效的光电探测器。由于钙钛矿CH3NH3PbI3前驱体为强极性溶剂,并且成膜过程涉及晶体的结晶。因此，在溶液加工过程中,相关的输运和组装过程与量子点相比具有一些独特的性质。此外,目前报道的基于钙钛矿材料的光电器件大多限于旋涂等传统溶液法成膜工艺,限制了钙钛矿在大面积和阵列化光电器件领域的应用。喷墨打印方法沉积钙钛矿CH3NH3PbI3是一个有潜力的解决方案。但是,基于喷墨打印技术的溶液法成膜工艺,其墨滴蒸发速度慢且不均匀,导致钙钛矿薄膜不致密、不均匀,限制了喷墨打印在该领域的应用。基于此,我们研究了喷墨打印过程中钙钛矿材料的墨水蒸发输运,以及伴随的晶体取向生长特性,并探索了其光电探测应用。结果表明,通过溶剂工程调控晶体生长取向,并通过晶体生长速率实现钙钛矿晶体尺寸形貌的控制,成功地利用喷墨打印工艺制备了复合钙钛矿CH3NH3PbI3纳米线、微米线、纳米网络和岛状结构薄膜,。

2.2钙钛矿光敏突触

人脑的神经信息活动具有卓越的特性,例如，大规模并行、分布式存储和处理、自组织、自学习以及低功耗。生物学研究表明,人脑的这些出色功能主要得益于神经系统中具有计算和存储功能的生物突触。基于人工神经突触器件构筑新颖的计算架构来实现神经形态计算被认为是一条极具潜力的道路。在之前的文献中,电子突触器件已经被成功提出并以各种方式实施,其优越的应用潜力已被广泛证实。对人类而言,超过80%的外部信息通过视觉感知获得。因此，能够存储并处理视觉信号的光敏突触器件值得深入研究。然而,光敏突触器件作为处理视觉信号最有前途的候选者之一,其研究仍处于初期阶段。全无机钙钛矿材料由于其半峰宽窄、光致发光量子产率高、易于调节发光波长以及热稳定性良好而在学术界引起了广泛关注。鉴于钙钛矿材料具有优异的光敏感特征,我们将其用于光电神经形态计算领域,报道了一种基于CsPbBr3钙钛矿纳米片的双端结构光电突触器件,其耦合了光传感和突触可塑性功能,实现了光电输入信号的智能化处理。该器件成功地模拟了神经系统的多种突触功能,如经典的增强/抑制过程、幅度依赖可塑性、成对脉冲促进、短期记忆与长期记忆之间的转换等。此外,我们以小规模光电突触阵列演示了独特的“记忆回溯”功能,即使经过“遗忘”处理,该功能也可以挖掘出前期所记忆的信息。这个功能有助于获取时间维度上的光电信息,有益于未来光电神经形态计算的开发。

3总结与展望

总之，墨水作为溶液工艺构筑器件的核心材料,在未来的电子社会中将会有越来越广泛的应用,也是微电子技术的重要革新基础。因此,开发高性能且稳定的纳米光电材料墨水,研究墨水的输运成膜过程、光电薄膜界面调控、光电器件结构和性能优化,不仅具有重大的理论研究意义,而且还能推动低成本、大面积、柔性光电子技术领域的发展。

参考文献

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