麻省理工學(xué)院和西北大學(xué)的一組研究人員展示了微調(diào)鈣鈦礦雜化材料電子性能的能力，這種雜化鈣鈦礦材料作為潛在的用于太陽能電池和光源等設(shè)備的下一代光電材料引起了極大的興趣。

該材料被歸類為“混合型”，因?yàn)樗鼈儼瑹o機(jī)成分(如金屬)以及組織成納米級層的有機(jī)分子(如碳和氮)。在本周在線發(fā)表在《自然化學(xué)》上的一篇論文中，研究人員表明，通過戰(zhàn)略性地改變有機(jī)層的組成，他們可以調(diào)整鈣鈦礦吸收的光的顏色以及材料發(fā)出光的波長。重要的是，他們在基本上不改變無機(jī)成分的情況下完成了這一任務(wù)。

“直到現(xiàn)在，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)和理論證據(jù)表明，有機(jī)層只是充當(dāng)惰性間隔物，其唯一作用是分離電子活性無機(jī)層，”麻省理工學(xué)院能源研究的ARCO職業(yè)發(fā)展教授Will Tisdale說。作者在紙上。“這些新結(jié)果表明，我們可以教有機(jī)層做更多的事情。”

“我們的實(shí)驗(yàn)室一直對結(jié)合無機(jī)和有機(jī)成分以產(chǎn)生協(xié)同性能的新型混合材料的設(shè)計(jì)感興趣，而這正是我們在研究令人興奮的能源材料(鈣鈦礦)中所做的工作，” Samuel Stupp說，西北大學(xué)化學(xué)，材料科學(xué)與工程，醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的董事會(huì)教授，并且是該論文的共同通訊作者。

鈣鈦礦是大約200年前在烏拉爾山脈首次發(fā)現(xiàn)的天然礦物質(zhì)，在確定可以將光轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎秒娭蟮氖曛?，對鈣鈦礦進(jìn)行了深入研究。這些材料被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源未來的可能關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈兊闹圃斐杀镜陀诹餍械墓杌柲茈姵?，并且可以將光能轉(zhuǎn)化為電能的效率幾乎相同。

然而，由于鈣鈦礦太陽能電池對熱和濕氣的敏感性，它們在室外條件下的耐用性和穩(wěn)定性要差得多?？茖W(xué)家最近發(fā)現(xiàn)，將鈣鈦礦的傳統(tǒng)3-D結(jié)構(gòu)分成許多薄層(從幾個(gè)原子厚到幾十個(gè)原子厚不等)，可以提高穩(wěn)定性和性能。

在層狀鈣鈦礦中，無機(jī)層吸收光并產(chǎn)生最終產(chǎn)生電能所需的電荷。有機(jī)層通常是絕緣的，并且起到巨壁的作用，防止光產(chǎn)生的電荷移出無機(jī)層。

“這項(xiàng)合作之所以令人興奮，是因?yàn)镾tupp小組從西北航空寄給我們的材料與我們在麻省理工學(xué)院提出的問題完全吻合，鈣鈦礦的無機(jī)層中的激子如何受到有機(jī)物的性質(zhì)的影響蒂斯代爾大學(xué)的前博士后凱蒂·毛克(Katie Mauck)說，他現(xiàn)在是肯永學(xué)院的化學(xué)助理教授。她與Stupp小組的研究生James Passarelli一起是該論文的第一作者。“詹姆斯對鈣鈦礦合成的模塊化方法使我們能夠通過Tisdale實(shí)驗(yàn)室的光譜學(xué)，可控制地調(diào)節(jié)這些層之間的相互作用，并研究其對激子動(dòng)力學(xué)的影響。”

斯圖普說：“當(dāng)光被鈣鈦礦等半導(dǎo)體吸收時(shí)，帶負(fù)電荷的電子會(huì)吸收能量并移走。”“由于物質(zhì)想要保持中性，這會(huì)在它們留下的帶正電荷的位置上建立吸引力。我們能夠通過在有機(jī)層中摻入特定類型的分子來控制這種作用力的大小，從而改變了它們的有趣性屬性。”

在Mauck和Stupp實(shí)驗(yàn)室成員在2018年夏季的科學(xué)會(huì)議上偶然碰面之后，Northwestern與MIT的合作開始了。Stupp實(shí)驗(yàn)室此前在合成無機(jī)有機(jī)雜化材料方面進(jìn)行了開拓性的工作，可用于能源和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，而Tisdale小組專門研究使用激光探測納米材料的特性。

對于這個(gè)項(xiàng)目，這些興趣完全重疊，因?yàn)镾tupp小組開發(fā)了混合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，而Tisdale小組進(jìn)行了精確的光譜測量，以確認(rèn)系統(tǒng)內(nèi)的相互作用。

將來，微調(diào)這些材料的電子性能的能力將應(yīng)用于各種光學(xué)或電子傳感器，包括利用有機(jī)層存在的分子傳感器，以及太陽能電池和光探測器。

蒂斯代爾說：“除了改進(jìn)光電子器件的途徑外，這項(xiàng)工作還強(qiáng)調(diào)了納米級半導(dǎo)體的一些獨(dú)特優(yōu)勢，它們比周圍的材料對周圍的環(huán)境更敏感。”“我們在混合層狀鈣鈦礦中所學(xué)到的教訓(xùn)可以擴(kuò)展到許多其他新興材料。”