莱斯大学 艺术家对卤化物钙钛矿光阴极的描绘
莱斯大学和洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员发现，用铯薄层(蓝绿色)处理的卤化物钙钛矿半导体(银)可以在可见光和紫外光谱(彩色箭头)上发射自由电子(灰色)，新的铯层可以再生退化的光电阴极
学分:A
莫希特/莱斯大学 莱斯大学的工程师们发现了一种技术，这种技术可以降低半导体电子源的成本，半导体电子源是从夜视镜和微光相机到电子显微镜和粒子加速器等设备的关键部件
在一篇公开发表的《自然通讯》论文中，莱斯的研究人员和洛斯阿拉莫斯国家实验室的合作者描述了用卤化物钙钛矿薄膜制造电子源的第一个过程，这种薄膜能有效地将光转化为自由电子
制造商每年花费数十亿美元在光电阴极电子源上，这种电子源由包含镓、硒、镉和碲等稀有元素的半导体制成
“这应该比现在市场上的价格低几个数量级，”这项研究的合著者、莱斯材料科学家和化学工程师阿迪蒂亚·莫希特说
他说卤化物钙钛矿有潜力在几个方面胜过现有的半导体电子源
“首先，这是量子效率和寿命的结合，”莫希特说
“即使这是一个概念验证，也是卤化物钙钛矿作为电子源的首次证明，量子效率仅比商业上可获得的砷化镓光电阴极低约四倍
我们发现卤化物钙钛矿的寿命比砷化镓长
" 化学和生物分子工程、材料科学和纳米工程副教授莫希特说，钙钛矿光电阴极的另一个优点是通过旋涂法制造，旋涂法是一种低成本的方法，很容易放大
“我们还发现，与通常需要高温退火的传统材料相比，退化的钙钛矿光电阴极很容易再生，”他说
研究人员测试了数十种卤化物钙钛矿光电阴极，其中一些的量子效率高达2
2%
他们通过制造无机和有机成分的光电阴极展示了他们的方法，并展示了他们可以在可见光和紫外光谱范围内调节电子发射
量子效率描述了光电阴极将光转化为可用电子的效率
“如果每个入射的光子产生一个电子，并且你收集了每个电子，你将有100%的量子效率，”该研究的主要作者刘芳泽说，他是兰州大学的博士后研究助理
“目前最好的半导体光电阴极的量子效率在10-20%左右，它们都是由极其昂贵的材料通过复杂的制造工艺制成的
金属有时也用作电子源，铜的量子效率很低，大约为
01%，但仍然在使用，是一项实用的技术
" 卤化物钙钛矿光电阴极的成本节约有两种形式:制造它们的原材料丰富且便宜，制造过程比传统半导体简单且便宜
莫希特说:“我们非常需要低成本且可扩大规模的产品。”
“使用溶液处理过的材料，可以在大面积上涂色，对于制造光电阴极所需的高质量半导体来说是闻所未闻的
" “钙钛矿”这个名称指的是1839年在俄罗斯发现的一种特定矿物，以及任何具有该矿物晶体结构的化合物
卤化物钙钛矿是后者，可以通过将铅、锡和其他金属与溴化物或碘化物盐混合来制造
2012年，在英国科学家使用片状晶体材料制造高效太阳能电池后，对卤化物钙钛矿半导体的研究在全球范围内展开
其他实验室已经证明这种材料可以用来制造发光二极管、光电探测器、用于分水的光电化学电池和其他设备
莫希特是钙钛矿领域的专家，他在2018年加入莱斯之前曾在蓝勒担任研究科学家，他说卤化物钙钛矿光电阴极项目成功的一个原因是，他在蓝勒应用阴极增强和鲁棒性技术研究小组的合作者是“世界上探索光电阴极新材料和新技术的最佳团队之一
" 光电阴极根据爱因斯坦的光电效应工作，当它们被特定频率的光照射时释放出自由电子
光电阴极的量子效率通常较低的原因是，即使是最轻微的缺陷，如晶格中的单个原子错位，也会产生“势阱”，俘获自由电子
“如果你有缺陷，你所有的电子都会丢失，”莫希特说
“这需要很大的控制
并且花了很大的努力想出了一个制作好钙钛矿材料的方法
" 莫希特和刘使用了旋涂技术，这是一种广泛使用的技术，将液体滴到快速旋转的圆盘上，离心力使液体在圆盘表面扩散
在莫希特和刘的实验中，旋涂发生在氩气气氛中，以限制杂质
旋转后，将圆盘加热并置于高真空中，将液体转化为表面洁净的晶体
“这需要多次迭代，”莫希特说
“我们试图通过多种方式调整材料成分和表面处理，以获得最佳效率的正确组合
这是最大的挑战
" 他说，该团队已经在努力提高光电阴极的量子效率
“它们的量子效率仍然低于最先进的半导体，我们在论文中提出这是由于高表面缺陷的存在，”他说
“下一步是制造表面缺陷密度更低的高质量钙钛矿晶体
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