【傳統(tǒng)鈣鈦礦綜述3800字（論文）】

傳統(tǒng)鈣鈦礦綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u274181.1傳統(tǒng)鈣鈦礦簡介 。且可以通過改變鈣鈦礦層厚方便地實現(xiàn)對禁帶寬度操控，鈣鈦礦材料的導(dǎo)電性相較其他半導(dǎo)體材料更加優(yōu)秀，電荷擴(kuò)散長度長，載流子遷移距離長，鈣鈦礦材料制備出光電器件表現(xiàn)出了更快的工作速度[8]。隨著研究的深入，越來越多的鈣鈦礦材料被人們知道，已覆蓋了導(dǎo)體與絕緣體的大部分面積。21世紀(jì)的地球面臨著許多的困難，例如石化燃料大量使用造成的酸雨，地球溫室效應(yīng)持續(xù)惡化，南北極冰川的不斷融化等等一系列問題。地球是孕育生命的搖籃，從古至今亦是如此，但地球的自身狀況每況愈下。未來人類的生存需要更加清潔高效的能源，既能保護(hù)地球環(huán)境，又能滿足人類使用需求。鈣鈦礦材料作為鈣鈦礦太陽電池中的光吸收層，是太陽電池中最重要的部分之一[9]。其載流子遷移能力高，擴(kuò)散長度長，帶隙可調(diào)，熱處理溫度低，光電轉(zhuǎn)換性能極佳。光入射到太陽電池中，激發(fā)出的電子部分定向移動形成電流，部分進(jìn)入陷阱以熱量形式損失，與硅基太陽電池需要900℃以上的高溫處理相比，鈣鈦礦材料僅需要100℃便可去除絕大部分晶體缺陷。通過材料組分比例的變化可調(diào)節(jié)帶隙寬度，提高光電轉(zhuǎn)換效率[10]。如今迫在眉睫的時刻，太陽能是人類最好的選擇。太陽能電池發(fā)展至今，已經(jīng)有了三代太陽能電池，但它們?nèi)源嬖谥怆娹D(zhuǎn)換效率低和壽命短的缺點(diǎn)?？蒲泄ぷ髡邆兤惹邢Ｍ麑ふ倚虏牧蟻斫鉀Q現(xiàn)狀的問題，以此來提高太陽能電池的使用率。其中備受科研者關(guān)注的是其性能優(yōu)異的全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池。1.2傳統(tǒng)鈣鈦礦種類以鈣鈦礦材料成分為劃分依據(jù)，主要包括氧化物鈣鈦礦（如CaTiO3）和鹵化物鈣鈦礦（如CaPbBr3）[11]。氧化物鈣鈦礦是一種存在于鈣鈦礦石中的鈦酸鈣CaTiO3或人工合成的一系列與鈦酸鈣CaTiO3具有相似晶體結(jié)構(gòu)的材料中的一種化合物，因為這種類型的化合物結(jié)構(gòu)上有很多特性，所以這種類型的化合物在凝聚態(tài)物理方面的研究和應(yīng)用十分廣泛；這種類型的氧化物其分子通式一般為ABO3，結(jié)構(gòu)多為立方體晶形，由于立方體晶體常具平行晶棱的條紋，系高溫變體轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏刈凅w時產(chǎn)生聚片雙晶的結(jié)果；鈣鈦礦型材料根據(jù)其結(jié)構(gòu)通常有簡單鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)[12]。組成鈣鈦礦型材料的A位離子通常是稀土、堿土等離子半徑較大的金屬元素，起到穩(wěn)定鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的作用；組成鈣鈦礦型材料的B位離子通常是離子半徑較小的過渡族金屬元素，由于該位離子價態(tài)的多變性，使其決定了鈣鈦礦型材料的結(jié)構(gòu)[13]。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物與簡單的氧化物相比起來，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物可以使一些元素以非正常價態(tài)存在，具有非化學(xué)計量比的氧，或使活性金屬以混合價態(tài)存在，使得固體呈現(xiàn)出來某些特殊的性質(zhì)；鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的氧化物ABO3是一種具有獨(dú)特物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的新型無機(jī)非金屬材料，由于A位離子和B位離子都可以被半徑相近的其他金屬離子取代或者根據(jù)化學(xué)計量式進(jìn)行摻雜并且鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的氧化物具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的電磁性能以及很高的氧化還原、氫解、異構(gòu)化、電催化等活性，因此在理論上它是研究催化劑表面及催化性能的新型理想樣品并且作為一種新型的功能型材料在環(huán)境保護(hù)、電磁等領(lǐng)域有著很大的開發(fā)潛力[14]。鹵化物鈣鈦礦是一種具有良好光電特性的半導(dǎo)體材料，如高光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）、寬的帶隙可調(diào)、高色彩飽和度和高載流子遷移率。其中，金屬鹵化物鈣鈦礦的光學(xué)特性主要受到其組分和尺寸的影響。一方面，我們可以改變組分中不同鹵化物的比例可實現(xiàn)調(diào)節(jié)其光學(xué)帶隙，進(jìn)而實現(xiàn)整個可見光光譜范圍的發(fā)光。另一方面，我們可以調(diào)控其納米晶（NCs）的在某一維度上的尺寸，使其低至激子波爾半徑以下時，產(chǎn)生量子限域效應(yīng)來調(diào)制其發(fā)光特性[15]。該效應(yīng)可將原有的半導(dǎo)體連續(xù)能帶調(diào)制位多個分立的能級，從而影響激子波函數(shù)和激子的能態(tài)，引起光致發(fā)光（PL）光譜藍(lán)移和激子結(jié)合能改變。那么，尺寸的精細(xì)調(diào)控可實現(xiàn)金屬鹵化物鈣鈦礦零維量子點(diǎn)（0D）、一維納米線（1D）、二維（2D）或者準(zhǔn)二維（準(zhǔn)2D）納米片發(fā)光特性[16]。這些優(yōu)異的光學(xué)特性使其在發(fā)光和顯示領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景，有望推動顯示技術(shù)的升級，來滿足新一代顯示產(chǎn)品對于高色彩飽和度的需求。1.3傳統(tǒng)鈣鈦礦的光學(xué)和電學(xué)特性1.3.1發(fā)射波長可調(diào)與傳統(tǒng)的Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體納米材料相比，在整個可見光范圍內(nèi)，鈣鈦礦材料的連續(xù)可調(diào)發(fā)射，這一光電性能特點(diǎn)主要從兩個角度來進(jìn)行分析解釋：首先是通過改變尺寸來調(diào)節(jié)發(fā)射[17]。Prochazkova和他的同事經(jīng)過實驗調(diào)節(jié)發(fā)現(xiàn)，同類CsPbBrI2納米材料通過改變發(fā)射波長和吸收峰的尺寸來引起變化的[18]。其次另一種是通過改變組成元素來調(diào)節(jié)發(fā)射。所有無機(jī)鈣鈦礦CsPbX3納米材料的發(fā)射波長（X=CI，Br，1或它們的混合物）可以通過將鹵離子從氯離子替換為碘離子，從400nm調(diào)諧到700nm，覆蓋整個可見區(qū)域。圖1-2不同熒光發(fā)射波長量子的效果圖1.3.2色域廣和色純度高鈣鈦礦量子點(diǎn)能夠顯現(xiàn)出更寬的色域，是由于鈣鈦礦量子點(diǎn)的單色性良好以及光譜覆蓋范圍較為廣泛。2017年，以液相光譜相關(guān)的光子學(xué)的為基礎(chǔ)，Bawendi的課題組首次對鈣鈦礦納米材料進(jìn)行分析找出發(fā)射線寬的來源，通過實驗得到其發(fā)射線寬的來源可以總述為兩點(diǎn)：其一是均勻展寬，即鈣鈦礦材料的固有屬性；其二是不均勻展寬，即取決于材料各方面因素的變化，可以是材料的大小、材料的形狀以及單個納米材料之間的化學(xué)計量[19]。不均勻展寬對于鈣鈦礦型納米材料在全局決定因素中的作用甚小。對鈣鈦礦納米材料的總體線寬起決定性作用的是單個顆粒線寬的均勻展寬，而又決定單個顆粒線寬的均勻展寬的是粒徑的大小。1.3.3熒光量子產(chǎn)率高在發(fā)光領(lǐng)域中，鈣鈦礦材料未來廣闊的發(fā)展前景不僅僅是因為色域，熒光量子產(chǎn)率較高也能使得其應(yīng)用前景可觀。目前來看，鈣鈦礦材料的熱度一直居于上升的趨勢，隨之越來越多有關(guān)熒光量子產(chǎn)率超過90%的鈣鈦礦材料的報道呈現(xiàn)了出來。迄今為止，有關(guān)高熒光量子產(chǎn)率的原因已經(jīng)提出了幾個合理的機(jī)制來解釋。例如，鈣鈦礦材料具有較大的激子結(jié)合能的機(jī)理，在靜電庫侖的作用下電子·空穴對相互吸引從而形成激子，并且它們之間的作用力稱為激子結(jié)合能（E）。要想使激子在室溫下更穩(wěn)定，需要較大的激子結(jié)合能（E）（即在300K下為0.026eV的熱能更穩(wěn)定)，激子在室溫下更穩(wěn)定也更有利于發(fā)光的應(yīng)用[20]。根據(jù)公式E=（2h）/（m*a02）（m*指的是載流子質(zhì)量減少量，a0指的是激子玻爾半徑）進(jìn)行計算，可以得到：CsPbCl3的Eb值為0.075eV、CsPbBr3的Eb值為0.04eV、CsPbI3的Eb值為0.02eV，其中CsPbCl3的Eb值最大，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于室溫下的熱能值0.026eV，由此表明CsPbCl3在光學(xué)上穩(wěn)定性更高[21]。參考文獻(xiàn)[1]HeX,QiuY,YangS.Fully-InorganicTrihalidePerovskiteNanocrystals:ANewResearchFrontierofOptoelectronicMaterials[J].AdvancedMaterials,2017,29(32):1–27.[2]GreenMA,Ho-BaillieA,SnaithHJ.Theemergenceofperovskitesolarcells[J].NaturePhotonics,2014,8(7):506-514.[3]SwarnkarA,MirWJ,NagA.CanB-SiteDopingorAlloyingImproveThermal-andPhase-StabilityofAll-InorganicCsPbX3(X=Cl,Br,I)Perovskites?[J].ACSEnergyLetters,2018,3(2):286-289.[4]LuC-H,Biesold-McgeeGV,LiuY,etal.Dopingandionsubstitutionincolloidalmetalhalideperovskitenanocrystals[J].ChemicalSocietyReviews,2020,49(14):4953-5007.[5]DirinDN,ProtesescuL,TrummerD,etal.HarnessingDefect-ToleranceattheNanoscale:HighlyLuminescentLeadHalidePerovskiteNanocrystalsinMesoporousSilicaMatrixes[J].NanoLetters,2016,16(9):5866-5874.[6]LEEMM,TEUSCHERJ,MIYASAKAT,etal.Efficienthybridsolarcellsbasedonmeso-structuredorganometalhalideperovskites[J].Science,2012,338(6107):643-647.[7]MAHMOODK,SARWARS,MEHRANMT.Currentstatusofelectrontransportlayersinperovskitesolarcells:materialsandproperties[J].RSCAdvances,2017,7(28):17044-17062.[8]WUW,CHEND,CARUSORA,etal.Recentprogressinhybridperovskitesolarcellsbasedonn-typematerials[J].JournalofMaterialsChemistry,A.Materialsforenergyandsustainability,2017,5:10092-10109.[9]YELLA,ASWANI,HEINIGER,etal.NanocrystallineRutileElectronExtractionLayerEnablesLow-TemperatureSolutionProcessedPerovskitePhotovoltaicswith13.7%Efficiency.[J].NanoLetters,2014,14(5):2591-2596.[10]丁雄傑,倪露,馬圣博,等.鈣鈦礦太陽能電池中電子傳輸材料的研究進(jìn)展[J].物理學(xué)報,2015(3):106-116.[11]AkkermanQA,D’innocenzoV,AccorneroS,etal.TuningtheOpticalPropertiesofCesiumLeadHalidePerovskiteNanocrystalsbyAnionExchangeReactions[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety,2015,137(32):10276-10281.[12]ZhangD,ZhuY,LiuL,etal.Atomic-resolutiontransmissionelectronmicroscopyofelectronbeam–sensitivecrystallinematerials[J].Science,2018,359(6376):675-679.[13]張燁,姚志博,林仕偉,等.鈣鈦礦太陽能電池:器件設(shè)計和I-V滯回現(xiàn)象,學(xué)學(xué)報,2015,73(3):219-224.[14]KojimaA,TeshimaK,MiyasakaT,eta1.Organometalhalideperovskitesasvisible-lightsensitizersforphotovoltaiccells[J].J.AmChem.Soc,2009,131:6050~6051.[15]MiaoW.Electrogeneratedchemiluminescenceanditsbiorelatedapplications[J].Chem.Rev，2008，108(7):2506-2553.[16]LiangPW,LiaoCY,ChuehCC,etal.Additiveenhancedcrystallizationofsolution-processedperovskiteforhighlyefficientplanar-heterojunctionsolarcells.AdvancedMaterials,2014,26(22):3748-3754.[17]DengH,YangX,DongD,etal.Flexibleandsemitransparentorganoleadtriiodideperovskitenetworkphotodetectorarrayswithhighstability.Nanoletters,2015,15(12):7963-7969.[18]ProchazkovaAJ,ScharberMC,YumusakC,etal.SynthesisconditionsinfluencingformationofMAPbBr3perovskitenanoparticlespreparedbytheligand-assistedprecipitationmethod[J].ScientificReports,2020,10(1):15720.[19]ChangAY,ChoYJ,ChenKC,etal.SlowOrganic‐to‐InorganicSub‐Latti