近日，复旦大学信息科学与工程学院电光源研究所张树宇副研究员课题组利用稀土离子掺杂实现了超宽时间窗口的反溶剂辅助钙钛矿成膜。3月10日，该研究成果以“Trivalent-Neodymium Additive Modulated MAPbBr₃ Perovskite Nucleation and Growth: Ultrawide Processing Window for One-step Fabrication of Efficient Light-Emitting Perovskites”为题发表在《先进电子材料》（Advanced Electronic Materials）杂志，并被选为封面文章（Inside Back Cover）。

    图1 Advanced Electronic Materials杂志三月份的Inside Back Cover

 

鈣钛礦光電子器件近年來發展迅猛，展現出優異的性能，受到學界和業界的廣泛關注。然而，鈣钛礦薄膜制備中最常用的反溶劑輔助溶液法對反溶劑滴加工藝要求嚴苛，反溶劑滴加需要精確把控在3-5秒的工藝窗口內，限制了其在商業化生産中的進一步應用和發展。課題組創新地提出了采用Nd³⁺稀土離子摻雜引入異質形核過程的方案，實現了18秒的超寬反溶劑工藝窗口，解決了原有工藝存在的痛點。

張樹宇課題組通過Nd³⁺稀土離子摻雜，不僅實現了超寬的反溶劑工藝時間窗口，同時摻雜後的MAPbBr₃鈣钛礦薄膜，其光效和穩定性大幅改善，在空氣中放置8個月後性能和結構仍保持穩定。這一研究成果爲各類鈣钛礦薄膜器件的規模化生産提供了有效策略。

此外，課題組對摻雜機理進行了深入分析，首次揭示了Nd³⁺引入的異質形核過程，闡釋了超寬工藝窗口的成因。相比于無摻雜鈣钛礦的均質形核，異質形核的摻雜薄膜具有更優的結晶度和相純度。該研究的發現爲稀土離子摻雜鈣钛礦提供了新的理論視角。

图2 a）不同反溶剂滴加时间的MAPbBr₃無摻雜薄膜（第一行）和MAPbBr₃:Nd(5%)摻雜薄膜（第二行）的發光照片，滴加時間軸爲相對最佳滴加時間的偏移量。b）樣品R2，R3，R4，S1，S3和S5的SEM圖像。c）和d）MAPbBr₃無摻雜薄膜和MAPbBr₃:Nd(5%) 掺杂薄膜的稳定性：c）PLQY和照片，以及d）XRD谱。

图 3反溶剂辅助溶液法的四个工艺阶段以及掺杂与未掺杂薄膜的晶体生长过程

该研究工作得到国家自然科学基金 (No: 61705042，51677031，11975081)，上海市扬帆计划（16YF1400700），上海市科技创新行动计划（18JC1411500），科技部国家重点研发计划（2017YFB0403603）的资助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/aelm.201901162