卤化物钙钛矿材料因其离子性质,遇水易分解。目前,将未经封装的钙钛矿材料直接与传统的半导体加工技术(如湿法抛光,微加工及光刻等)结合起来具有极大的挑战。然而,对于由有机铵离子与无机八面体共组装而成的有机-无机杂化钙钛矿而言,其分子间作用力的多样性和作用力的可设计性使得克服这一挑战成为可能。

近期,吉林大学4166am金沙信心之选(中国)有限公司超分子结构与材料国家重点实验室魏浩桐教授课题组研发了一种基于色胺离子的创新有机无机杂化钙钛矿材料。通过调控结晶动力学,该材料能够形成两种维度的钙钛矿晶体。在适用于大面积制备的压片条件下,通过外界水/热驱动,实现了可逆的维度转变。这一维度转变过程表现为材料在水/热驱动下自身调节分子构象,自发释放微应力的独特过程(图1)。该无结构微应力的钙钛矿压片材料的射线响应性能可媲美最优性能的钙钛矿单晶样品,同时展现出更强的疏水能力。即便是水中浸泡720小时后,射线响应性能仍保持在较高水平;更为印象深刻的是,即便在水中浸泡长达40天仍未出现分解现象。此外,该材料还表现出卓越的热工作稳定性及耐高压性能(图2)。受益于材料出色的疏水性能,将材料的阵列化电极沉积过程与传统半导体加工所用的光刻技术相结合,可直接在钙钛矿材料表面光刻出任意尺寸及图案的电极模型。这项创新工作强调了Cation-π作用对钙钛矿疏水性能的关键影响。提供了一种可大面积制备,可高分辨成像的高性能钙钛矿X射线平板探测器。同时,首次将钙钛矿材料表面电极的直接图案化沉积与光刻技术联系起来,为钙钛矿材料的的产业化做出了一定的贡献(图3)。该工作近期以“Cation-π interactions enabled water-stable perovskite X-ray flat mini-panel imager”为题发表在国际著名期刊《Nature Communications》上(Nat. Commun.15, 257 (2024))。吉林大学4166am金沙信心之选(中国)有限公司超分子结构与材料国家重点实验室魏浩桐教授为该文章的独立通讯作者,文章第一作者是吉林大学4166am金沙信心之选(中国)有限公司博士研究生潘挽婷。该研究得到了国家自然科学基金委和吉林省科技发展计划项目的支持。

图1.a,调控结晶动力学得到两种维度钙钛矿晶体。b,维度转变期间的微应力释放过程。c,压片及水/热驱动维度转变示意图。d,维度转变过程中的分子构象变化及对应的荧光变化。

图2.a,XRD监测维度转变及水浸泡稳定。bc,射线响应灵敏度随水浸泡时间的变化曲线。de,射线响应灵敏度随工作温度的变化曲线。f,射线响应灵敏度随偏置电压的变化曲线。g,探测器的长期工作稳定性。h,探测器的耐高温高压测试。

图3.a,钙钛矿表面光刻得到的阵列化电极图案。b,色胺基钙钛矿材料抗流水冲洗不分解。c,射线成像及高达17.2 lp/mm的成像分辨率。

原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41467-023-44644-7

通讯作者简介

魏浩桐,吉林大学唐敖庆领军教授A岗,4166am金沙信心之选(中国)有限公司超分子国家重点实验室教授,博士生导师,海外高层次青年人才,长白山特聘领军人才,小米青年学者。课题组主要研究方向为新型、高性能X射线探测器;聚合物/纳米复合材料;高表现光电材料及器件应用;钙钛矿光电功能材料等。截至2024年1月,以独立通讯作者或第一作者身份在Nat. Photon.(1篇),Nat. Mater.(1篇),Nat. Commun.(4篇),Adv. Mater.(7篇),Angew. Chem. Int. Ed.(1篇),Light.: Sci. Appl., Nano letters, Adv. Funct. Mater., Adv. Sci.等国际著名学术期刊发表论文近30篇,合作发表论文共计90余篇,被引用14000余次,H因子39,在2022、2023年入选为科睿唯安高被引学者,担任《Molecules》杂志编委、《SmartMat》杂志青年编委。主持国家自然科学基金委青年科学基金项目、面上项目等。

课题组主页:https://www.x-mol.com/groups/haotongwei