我校物質(zhì)學(xué)院系統(tǒng)材料學(xué)研究部米啟兮課題組針對(duì)一種化學(xué)式為CsSnBr3（溴化錫銫）的新型半導(dǎo)體材料進(jìn)行了深入研究。與同類(lèi)材料相比，更有利的晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)使CsSnBr3在光照下產(chǎn)生自由載流子，對(duì)溫濕度的穩(wěn)定性也有顯著提升，展現(xiàn)出在太陽(yáng)電池和光探測(cè)器方面的良好應(yīng)用前景。近日，該成果以“All-Inorganic Perovskite CsSnBr3as a Thermally Stable, Free-Carrier Semiconductor”為題，在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上在線(xiàn)發(fā)表。

近年來(lái)，以ABX3為通式、具有鈣鈦礦類(lèi)型結(jié)構(gòu)的一大類(lèi)半導(dǎo)體材料（簡(jiǎn)稱(chēng)“鈣鈦礦材料”）的光電轉(zhuǎn)換性能被廣泛研究。這一類(lèi)材料中含有鉛和有機(jī)陽(yáng)離子的MAPbI3（碘化鉛甲銨）已被制成高效率、低成本的新型太陽(yáng)電池和光探測(cè)器，但甲銨對(duì)溫濕度的不穩(wěn)定性和鉛的毒性限制了有機(jī)含鉛鈣鈦礦材料的應(yīng)用范圍，而用錫替代鉛被視為最有潛力的改進(jìn)方案之一。

基于此，課題組選擇了無(wú)機(jī)含錫鈣鈦礦材料作為研究對(duì)象。作者制備了高質(zhì)量的CsSnBr3薄膜和晶體樣品，用多種手段測(cè)量和計(jì)算了CsSnBr3的帶隙能、激子結(jié)合能、介電常數(shù)和載流子有效質(zhì)量等關(guān)鍵性能參數(shù)，尤其在帶隙能和激子結(jié)合能兩方面達(dá)到了實(shí)驗(yàn)和理論相吻合，證明CsSnBr3的激子結(jié)合能低于室溫對(duì)應(yīng)的熱能。此結(jié)果說(shuō)明CsSnBr3受光照產(chǎn)生的電子與空穴是自由運(yùn)動(dòng)的，有利于被收集并轉(zhuǎn)化為電能。另一方面，作者利用有機(jī)鈣鈦礦材料作為參照物，表明CsSnBr3的半導(dǎo)體性能主要由其溴化錫框架決定，而無(wú)機(jī)銫離子顯著地提升了材料的穩(wěn)定性。

該研究成果定量揭示了CsSnBr3的關(guān)鍵半導(dǎo)體性能參數(shù)與其框架結(jié)構(gòu)的關(guān)系；發(fā)現(xiàn)了CsSnBr3薄膜在空氣中不易分解，具有比有機(jī)鈣鈦礦材料更高的穩(wěn)定性；指出CsSnBr3的半導(dǎo)體性能特點(diǎn)適合制成疊層太陽(yáng)電池和直接X(jué)射線(xiàn)探測(cè)器。

該論文的作者為李炳翰（2015級(jí)博士研究生、第一作者）、龍睿穎（2016級(jí)碩士研究生）、夏宇（2014級(jí)本科畢業(yè)生）和米啟兮（助理教授、通訊作者），上科大為第一完成單位。論文中的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算工作還得到了物質(zhì)學(xué)院薛加民、李剛和寧志軍教授課題組，以及分析測(cè)試中心余娜博士的熱情幫助。

該項(xiàng)目得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、殼牌–中科院前瞻科學(xué)項(xiàng)目和上?？萍即髮W(xué)超算平臺(tái)的支持。與本論文相關(guān)的工作已申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利（申請(qǐng)?zhí)枺篊N107059122A）。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201807674

CsSnBr3材料（中）的半導(dǎo)體性能（左）和穩(wěn)定性（右）與同類(lèi)材料相比具有顯著優(yōu)勢(shì)

研究團(tuán)隊(duì)（左起）：李炳翰、米啟兮、龍睿穎、夏宇