CH3NH3PbI3多晶薄片的制備及性能表征

田 寧, 屈艷梅, 于 吉, 黃永濤, 羅寅先, 譚雯竹, 鄭 杰

(沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽 110034)

0 引 言

鹵化鉛鈣鈦礦作為新一代的半導(dǎo)體材料已成為光電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),出色的光電性能,如高載流子遷移率、載流子擴(kuò)散長度、低陷阱密度等[1],使其在太陽能電池、發(fā)光二極管、激光器、光電探測器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2-6]。除此之外,鹵化鉛鈣鈦礦材料含有Pb,I和Br等重元素可有效衰減高能輻射,因而它們也是很好的射線探測和成像的候選材料[7]。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 CH3NH3PbI3單晶的制備

在目前的報(bào)道中,反向升溫法制備單晶時(shí)間快,生長得到的單晶質(zhì)量高、性能好。本文采用反向升溫法制備得到CH3NH3PbI3單晶,其制備示意圖如圖1所示。

圖1 CH3NH3PbI3單晶制備示意圖Fig.1 CH3NH3PbI3 single crystal preparation schematic diagram

1.2 CH3NH3PbI3多晶薄片的制備

從前期制備的CH3NH3PbI3單晶中篩選出生長小且不規(guī)則的單晶廢料,然后將CH3NH3PbI3單晶廢料放入研缽中進(jìn)行充分的研磨,再將粉末放入模具,將模具放入壓片機(jī)中,先將壓力設(shè)置為5 MPa,開始升溫,升溫至200 ℃后,將壓力增加到10 MPa,保溫30 min后取出模具,得到CH3NH3PbI3多晶薄片,具體制備示意圖如圖2所示。

圖2 CH3NH3PbI3多晶薄片制備示意圖Fig.2 CH3NH3PbI3 polycrystalline flakes preparation diagram

2 結(jié)果與討論

2.1 CH3NH3PbI3多晶薄片的形貌結(jié)構(gòu)和性能表征

圖3(a)是CH3NH3PbI3多晶薄片的光學(xué)照片,多晶薄片的厚度為1.18 mm,厚度可調(diào)有利于高能輻射吸收。圖3(b)是CH3NH3PbI3多晶薄片的電鏡掃描(scanning electron microscope,SEM)表面微觀形貌圖,從SEM圖中可以觀測到CH3NH3PbI3多晶薄片致密,因而降低了晶界缺陷,有利于收集電荷載流子。

(a) CH3NH3PbI3多晶薄片光學(xué)照片(b) CH3NH3PbI3多晶薄片表面微觀形貌

2.2 CH3NH3PbI3多晶薄片的X射線衍射表征

圖4為CH3NH3PbI3多晶薄片粉末的X射線衍射圖(X-ray diffraction,XRD)和XRD數(shù)據(jù)的Rietveld精修圖。圖4中標(biāo)出了對應(yīng)衍射峰的位置,屬于典型的四方鈣鈦礦結(jié)構(gòu),與之前報(bào)道的衍射圖譜高度吻合[9],同時(shí),XRD中不含有CH3NH3I或PbI2及其他雜相的衍射峰,說明CH3NH3PbI3多晶的純度非常高。CH3NH3PbI3多晶薄片XRD數(shù)據(jù)進(jìn)行Rietveld處理后如圖4(b)所示,晶格參數(shù)a=b=8.912 ?,c=12.503 ?,與其他研究人員報(bào)道的結(jié)果相一致[10]。

(a) CH3NH3PbI3粉末X射線衍射譜圖(b) CH3NH3PbI3粉末X射線衍射譜Rietveld處理圖

2.3 CH3NH3PbI3多晶薄片的吸收表征

圖5(a)為CH3NH3PbI3多晶薄片的吸收圖譜,CH3NH3PbI3多晶薄片在300～840 nm具有較強(qiáng)的吸收,吸收邊位于840 nm波長處。圖5(b)為CH3NH3PbI3多晶薄片的Tauc plot曲線,可以看出其光學(xué)帶隙為1.44 eV。

(a) CH3NH3PbI3多晶薄片的紫外可見光吸收圖譜(b) CH3NH3PbI3多晶薄片的Tauc plot曲線

2.4 CH3NH3PbI3多晶薄片的電化學(xué)交流阻抗譜圖表征

圖6是CH3NH3PbI3多晶薄片在常溫下的交流阻抗譜圖。在CH3NH3PbI3多晶薄片上下表面涂覆一層Ag導(dǎo)電膠,形成Ag/CH3NH3PbI3多晶薄片/Ag結(jié)構(gòu)器件,并測試CH3NH3PbI3多晶薄片的交流阻抗譜。電路元件為CPE(constant phase angle element)定相元件,采用RO(Rgi/CPEgi)(Re/CPEe)等效電路擬合,其中,RO,Rgi,Re分別為歐姆電阻、晶粒內(nèi)部電阻和電極電阻,由此可得CH3NH3PbI3多晶薄片的內(nèi)阻為818.5 kΩ·cm。

圖6 CH3NH3PbI3多晶薄片的交流阻抗譜圖Fig.6 Impedance spectrum of CH3NH3PbI3 polycrystalline flakes

3 結(jié) 論

通過反向升溫法先制備CH3NH3PbI3單晶,篩選出生長小且不規(guī)則的單晶廢料,經(jīng)過研磨、高溫?zé)釅褐苽浜穸刃螤羁煽氐拇竺娣eCH3NH3PbI3多晶薄片,實(shí)現(xiàn)了原材料的百分百利用。通過SEM圖可以看出,CH3NH3PbI3多晶薄片沒有明顯孔洞,且在300～840 nm具有較強(qiáng)的吸收,從陡峭的吸收邊可以看出其具有優(yōu)異的晶體質(zhì)量。上述結(jié)果表明,本文制備的CH3NH3PbI3多晶薄片在射線探測及成像方面有很大的應(yīng)用潛力。