麻省理工学院 左:胶片碎片的扫描电子显微镜图像
右图:元素图谱显示杂化钙钛矿已经形成:四氯-1，2-苯醌(TCBQ)与钙钛矿结合，因为氯(顶部)和碘(底部)共定位
学分:麻省理工学院 麻省理工学院和西北大学的一组研究人员展示了微调混合钙钛矿材料电子特性的能力，这种材料作为太阳能电池和光源等器件的潜在下一代光电材料引起了极大的兴趣
这种材料被归类为“混合材料”，因为它们包含像金属这样的无机成分，以及像碳和氮这样的有机分子，它们被组织成纳米级的层
在本周《自然化学》在线发表的一篇论文中，研究人员表明，通过战略性地改变有机层的组成，他们可以调整钙钛矿吸收的光的颜色以及材料发射光的波长
重要的是，他们在没有显著改变无机成分的情况下完成了这项工作
“到目前为止，大多数实验和理论证据表明，有机层只是作为惰性隔离物，其唯一的作用是分隔电子盟友活性无机层，”麻省理工学院能源研究职业发展教授威尔·蒂斯代尔(Will Tisdale)说，他是该论文的合著者
“这些新的结果表明，我们可以教有机层做更多的事情
" 西北大学化学、材料科学与工程、医学和生物医学工程受托人委员会教授塞缪尔·斯图普是该论文的合著者，他说:“我们的实验室一直对设计新型混合材料感兴趣，这种材料结合了无机和有机成分，以创造协同性能，这正是我们在这项被称为钙钛矿的令人兴奋的能源材料的工作中所做的。”
钙钛矿，大约200年前在乌拉尔山脉作为天然矿物首次被发现，在过去的十年里，在确定它们可以将光转化为可用的电之后，人们对其进行了积极的研究
这些材料被认为是可持续能源未来的关键，因为它们比流行的硅基太阳能电池制造成本更低，并且可以几乎同样高效地将光转化为电
然而，钙钛矿太阳能电池由于其对热和湿气的敏感性，在室外条件下远没有那么耐用和稳定
科学家最近发现，将钙钛矿的传统三维结构分成许多薄层——从几个原子厚到几十个原子厚——可以提高稳定性和性能
在层状钙钛矿中，无机层吸收光并产生最终产生电能所需的电荷
有机层通常是绝缘的，并像巨大的墙一样阻止光产生的电荷从无机层中移出
“这种合作令人兴奋，因为斯图普小组从西北大学发给我们的材料与我们在麻省理工学院提出的问题完全一致，即钙钛矿无机层中的激子如何受到有机层性质的影响，”凯蒂·马克说，她是蒂斯代尔小组的前博士后，现在是凯尼恩学院的化学助理教授
她和斯图普小组的研究生詹姆斯·帕萨雷利是这篇论文的第一作者
“詹姆斯对钙钛矿合成的模块化方法使我们能够可控地调整这些层之间的相互作用，并通过蒂斯代尔实验室的光谱学深入研究对激发子动力学的影响
" “当光被半导体如钙钛矿吸收时，带负电荷的电子获得能量并离开，”斯图普说
“这与它们留下的带正电的位置形成了一种吸引力，因为物质想要保持中性
我们能够通过在有机层中加入特定类型的分子来控制这种力的大小，从而改变它们有趣的特性
" 西北大学和麻省理工学院的合作始于2018年夏天，在一次科学会议上，马克和斯图普实验室的一名成员偶然相遇
斯图普实验室此前在无机-有机杂化材料的合成方面进行了开创性的工作，这些材料在能源和医学方面有潜在的应用，而蒂斯代尔小组则专门使用激光来探测纳米材料的特性
这些兴趣在本项目中完美重叠，因为斯图普小组开发了混合钙钛矿结构，而蒂斯代尔小组进行了确认系统内相互作用所需的精确光谱测量
将来，微调这些材料的电子特性的能力可以应用于各种光学或电子传感器——包括利用有机层的分子传感器——以及太阳能电池和光探测器
“除了改进光电子器件的途径之外，这项工作强调了纳米半导体的一些独特优势，纳米半导体比大块材料对周围环境更敏感，”蒂斯代尔说
“我们在混合层状钙钛矿方面学到的经验可以推广到许多其他新兴材料
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