CH3NH3PbI3多晶薄片的制备及性能表征

田 宁, 屈艳梅, 于 吉, 黄永涛, 罗寅先, 谭雯竹, 郑 杰

(沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 沈阳 110034)

0 引 言

卤化铅钙钛矿作为新一代的半导体材料已成为光电领域的研究热点,出色的光电性能,如高载流子迁移率、载流子扩散长度、低陷阱密度等[1],使其在太阳能电池、发光二极管、激光器、光电探测器等领域有着广泛的应用[2-6]。除此之外,卤化铅钙钛矿材料含有Pb,I和Br等重元素可有效衰减高能辐射,因而它们也是很好的射线探测和成像的候选材料[7]。

1 实 验

1.1 CH3NH3PbI3单晶的制备

在目前的报道中,反向升温法制备单晶时间快,生长得到的单晶质量高、性能好。本文采用反向升温法制备得到CH3NH3PbI3单晶,其制备示意图如图1所示。

图1 CH3NH3PbI3单晶制备示意图Fig.1 CH3NH3PbI3 single crystal preparation schematic diagram

1.2 CH3NH3PbI3多晶薄片的制备

从前期制备的CH3NH3PbI3单晶中筛选出生长小且不规则的单晶废料,然后将CH3NH3PbI3单晶废料放入研钵中进行充分的研磨,再将粉末放入模具,将模具放入压片机中,先将压力设置为5 MPa,开始升温,升温至200 ℃后,将压力增加到10 MPa,保温30 min后取出模具,得到CH3NH3PbI3多晶薄片,具体制备示意图如图2所示。

图2 CH3NH3PbI3多晶薄片制备示意图Fig.2 CH3NH3PbI3 polycrystalline flakes preparation diagram

2 结果与讨论

2.1 CH3NH3PbI3多晶薄片的形貌结构和性能表征

图3(a)是CH3NH3PbI3多晶薄片的光学照片,多晶薄片的厚度为1.18 mm,厚度可调有利于高能辐射吸收。图3(b)是CH3NH3PbI3多晶薄片的电镜扫描(scanning electron microscope,SEM)表面微观形貌图,从SEM图中可以观测到CH3NH3PbI3多晶薄片致密,因而降低了晶界缺陷,有利于收集电荷载流子。

(a) CH3NH3PbI3多晶薄片光学照片(b) CH3NH3PbI3多晶薄片表面微观形貌

2.2 CH3NH3PbI3多晶薄片的X射线衍射表征

图4为CH3NH3PbI3多晶薄片粉末的X射线衍射图(X-ray diffraction,XRD)和XRD数据的Rietveld精修图。图4中标出了对应衍射峰的位置,属于典型的四方钙钛矿结构,与之前报道的衍射图谱高度吻合[9],同时,XRD中不含有CH3NH3I或PbI2及其他杂相的衍射峰,说明CH3NH3PbI3多晶的纯度非常高。CH3NH3PbI3多晶薄片XRD数据进行Rietveld处理后如图4(b)所示,晶格参数a=b=8.912 Å,c=12.503 Å,与其他研究人员报道的结果相一致[10]。

(a) CH3NH3PbI3粉末X射线衍射谱图(b) CH3NH3PbI3粉末X射线衍射谱Rietveld处理图

2.3 CH3NH3PbI3多晶薄片的吸收表征

图5(a)为CH3NH3PbI3多晶薄片的吸收图谱,CH3NH3PbI3多晶薄片在300～840 nm具有较强的吸收,吸收边位于840 nm波长处。图5(b)为CH3NH3PbI3多晶薄片的Tauc plot曲线,可以看出其光学带隙为1.44 eV。

(a) CH3NH3PbI3多晶薄片的紫外可见光吸收图谱(b) CH3NH3PbI3多晶薄片的Tauc plot曲线

2.4 CH3NH3PbI3多晶薄片的电化学交流阻抗谱图表征

图6是CH3NH3PbI3多晶薄片在常温下的交流阻抗谱图。在CH3NH3PbI3多晶薄片上下表面涂覆一层Ag导电胶,形成Ag/CH3NH3PbI3多晶薄片/Ag结构器件,并测试CH3NH3PbI3多晶薄片的交流阻抗谱。电路元件为CPE(constant phase angle element)定相元件,采用RO(Rgi/CPEgi)(Re/CPEe)等效电路拟合,其中,RO,Rgi,Re分别为欧姆电阻、晶粒内部电阻和电极电阻,由此可得CH3NH3PbI3多晶薄片的内阻为818.5 kΩ·cm。

图6 CH3NH3PbI3多晶薄片的交流阻抗谱图Fig.6 Impedance spectrum of CH3NH3PbI3 polycrystalline flakes

3 结 论

通过反向升温法先制备CH3NH3PbI3单晶,筛选出生长小且不规则的单晶废料,经过研磨、高温热压制备厚度形状可控的大面积CH3NH3PbI3多晶薄片,实现了原材料的百分百利用。通过SEM图可以看出,CH3NH3PbI3多晶薄片没有明显孔洞,且在300～840 nm具有较强的吸收,从陡峭的吸收边可以看出其具有优异的晶体质量。上述结果表明,本文制备的CH3NH3PbI3多晶薄片在射线探测及成像方面有很大的应用潜力。