文章介绍
高性能器件需要相干异质结、量子阱和多个量子阱;这些通常是通过专用的气相外延工艺生长的。
基于此，北卡罗莱纳大学黄劲松等人展示了使用溶液工艺由混合维钙钛矿制成的相干钙钛矿异质结和量子阱的生长。通过利用甲基铵 （MA+） 和 4-（氨基甲基）哌啶 （4AMP2+） 的溶解度差异，我们组装了具有不同层数的层状钙钛矿。所得的 4AMP-MAn–1PbnI3n+1 材料，每种材料具有不同的层数或带隙，形成量子阱。由 4AMP-MA2Pb3I10 （n = 3）和 4AMP-MAPb2I7 （n = 2）制成的异质结和量子阱具有不同的阻挡层厚度，由晶体生长过程中的溶液温度曲线定制。通过循环温度曲线形成了多个量子阱。平面异质结和量子阱具有晶格匹配，无界面缺陷，并表现出较强的热稳定性。计算和光学研究都证实了 n = 2/n = 3 异质结处的 I 型带对准。这项研究为复杂的钙钛矿异质结和量子阱器件的开发开辟了新的方向。该论文近期以“Tunable coherent mixed-dimensional perovskite heterojunctions and quantum wells grown from solution”为题发表在顶级期刊Nature Photonics上。
图文信息
图1. 异质结和量子阱生长方法. a. MAPbI 3、4AMP-MAPb 2 I 7（n = 2）、4AMP-MA 2 Pb 3 I 10（n = 3）和4AMP-MA 6Pb 7I 22（n = 7）在异硫氰酸溶液中的摩尔溶解度（单位体积溶液中溶质的摩尔数）曲线。B，具有不同初始4AMP 2+：MA+比率的钙钛矿前体油墨的结晶曲线。不同的颜色表示不同的相区域。对于4AMP 2+：MA+ = 1：4和1：8，结晶曲线分别停留在n = 2和3相区域。对于4AMP 2+：MA+ = 1：6，结晶曲线穿过n = 2和3钙钛矿之间的亚稳区域。c，冷却期间4AMP-MAPb 2 I7（n = 2）和4AMP-MA 2 Pb 3 I10（n = 3）的相图。红色箭头表示n = 2/n = 3异质结生长的温度曲线。蓝色箭头表示n = 2/n = 3/n = 2量子阱生长的温度曲线。
图2. 量子井之结构示意图与特性。a，4AMP-MA 2 Pb 3 I10（n = 3）-4AMP-MAPb 2 I7（n = 2）量子阱的结构示意图。B，典型的4AMP-MA 2 Pb 3 I10（n = 3）-4AMPMAPb 2 I7（n = 2）异质结在具有510 nm长通滤波器的样品的横截面处的共焦PL强度映射。c，B沿着虚线的垂直PL分布。d，自支撑n = 2，n = 3块体晶体和n = 2/n = 3/n = 2量子阱的光致发光光谱。a.u.，任意单位e，f，4AMPMA 2 Pb 3 I10/4AMP-MAPb 2 I7量子阱的光致发光映射，在580 ± 13 nm波长范围内从n = 2基质（e）和620 ± 13 nm波长范围内从n = 3基质（f）采集的样品切片。
图3. 多量子阱形成的精确控制。a-c，层数n控制。a，具有不同带隙的量子威尔斯的示意图。B，4AMP-MA 6Pb 7I 22（n = 7）-4AMP-MAPb 2 I7（n = 2）量子阱在样品横截面处的FLIM映射。n = 2矩阵（中）的波长范围为580 ± 13 nm，n = 7（右）的波长范围为714 ± 13 nm。c，具有不同层数的量子威尔斯的光致发光光谱。d，具有不同厚度的四方异质结的示意图。e，具有不同间距的两个4AMP-MAPb 2 I 7（n = 2）/4AMP-MA 2 Pb 3 I 10（n = 3）/4AMP-MAPb 2 I 7（n = 2）量子威尔斯阱的光致发光映射。f，在例如g-i中的三个样品的光致发光强度线扫描，周期为339 nm的三周期量子威尔斯阱样品。g，三重量子威尔斯的示意图。h，三重量子威尔斯样品的FLIM映射。i，三重量子威尔斯样品的光致发光强度线扫描。
图4. 具有量子阱和异质结的晶体的结构示意图和表征。a，晶体示意图。b，在显微镜下使用透射模式的异质结界面的光学照片。比例尺，10 μm。量子威尔斯与异质结界面相邻，距离为1.6 μm。c-e，B中白色矩形标记的区域的FLIM映射，在不同波长范围收集以分离来自不同组合物的发射：对于n = 2和n = 3两者为510-900 nm（c），仅对于n = 2为580 ± 13 nm（d），仅对于n = 3为620 ± 13 nm（e）。f，沿着c中红色虚线的光致发光强度（黑色曲线）和寿命（红色曲线）曲线。激发通量增加到2 μJ cm−2，以观察n = 3层的弱发射。
图5. 异质结附近的能带排列和载流子扩散。a，计算的n = 3/n = 2异质结的能带对准。注意异质结界面处的CBM和VBM能带偏移。B，靠近n = 3/n = 2异质结界面的FLIM映射。十字表示检测位置，而蓝色圆圈表示激发激光位置，随着到检测位置的距离变化，激发激光位置沿着黄色箭头移动。c，在不同激发位置到异质结界面距离处的瞬态PL衰减曲线。d，扩散长度（L）与相应的上升沿延迟（τ）的关系图。红色曲线由L = Δ Dτ拟合。e，不同激发位置处的积分PL计数。水平虚线为最大值的1/e，其与指数拟合曲线交点的横坐标表示量子阱的双极载流子引出距离。f，作为激发功率的函数的光致发光强度图。
总之，通过了解4 AMP基层状钙钛矿的亚稳溶解度区域与沉淀物成分之间的关系，作者合理设计并论证了一种基于溶液的方法，通过控制温度曲线精确生长钙钛矿异质结和量子阱，成功制备了一系列具有多层、可调带隙和不同势垒层厚度的钙钛矿量子阱。这些异质结/量子阱表现出优异的界面稳定性，即使在环境条件下退火48 h后仍保持清晰的界面。此外，计算和实验结果都证实了基于4AMP的异质结中的I型能带排列。这种排列允许载流子自由地从势垒层输运到52 nm宽的较低带隙阱，导致量子阱中的发射增强，与自支撑晶体相比，PL增强2至10倍。
文章信息
Shi, Z., Xian, Y., Wang, X. et al. Tunable coherent mixed-dimensional perovskite heterojunctions and quantum wells grown from solution. Nat. Photon. (2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01723-z
DOI: 10.1038/s41566-025-01723-z
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