美科學家聯合研發用于光電傳感器的鈣鈦礦雜化的新型材料

麻省理工學院和西北大學的一組研究人員展示了微調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”，因為它們包含無機成分(如金屬)以及組織成納米級層的有機分子(如碳和氮)。在本周在線發表在《自然化學》上的一篇論文中，研究人員表明，通過戰略性地改變有機層的組成，他們可以調整鈣鈦礦吸收的光的顏色以及材料發出光的波長。重要的是，他們在基本上不改變無機成分的情況下完成了這一任務。

“直到現在，大多數實驗和理論證據表明，有機層只是充當惰性間隔物，其唯一作用是分離電子活性無機層，”麻省理工學院能源研究的ARCO職業發展教授Will Tisdale說。作者在紙上。“這些新結果表明，我們可以教有機層做更多的事情。”

“我們的實驗室一直對結合無機和有機成分以產生協同性能的新型混合材料的設計感興趣，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，西北大學化學，材料科學與工程，醫學和生物醫學工程專業的董事會教授，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現的天然礦物質，在確定可以將光轉變為可用電之后的十年中，對鈣鈦礦進行了深入研究。這些材料被認為是實現可持續能源未來的可能關鍵，因為它們的制造成本低于流行的硅基太陽能電池，并且可以將光能轉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定性要差得多。科學家最近發現，將鈣鈦礦的傳統3-D結構分成許多薄層(從幾個原子厚到幾十個原子厚不等)，可以提高穩定性和性能。

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

“這項合作之所以令人興奮，是因為Stupp小組從西北航空寄給我們的材料與我們在麻省理工學院提出的問題完全吻合，鈣鈦礦的無機層中的激子如何受到有機物的性質的影響蒂斯代爾大學的前博士后凱蒂·毛克(Katie Mauck)說，他現在是肯永學院的化學助理教授。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實驗室的光譜學，可控制地調節這些層之間的相互作用，并研究其對激子動力學的影響。”

斯圖普說：“當光被鈣鈦礦等半導體吸收時，帶負電荷的電子會吸收能量并移走。”“由于物質想要保持中性，這會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實驗室成員在2018年夏季的科學會議上偶然碰面之后，Northwestern與MIT的合作開始了。Stupp實驗室此前在合成無機有機雜化材料方面進行了開拓性的工作，可用于能源和醫學領域，而Tisdale小組專門研究使用激光探測納米材料的特性。

對于這個項目，這些興趣完全重疊，因為Stupp小組開發了混合鈣鈦礦結構，而Tisdale小組進行了精確的光譜測量，以確認系統內的相互作用。

將來，微調這些材料的電子性能的能力將應用于各種光學或電子傳感器，包括利用有機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：“除了改進光電子器件的途徑外，這項工作還強調了納米級半導體的一些獨特優勢，它們比周圍的材料對周圍的環境更敏感。”“我們在混合層狀鈣鈦礦中所學到的教訓可以擴展到許多其他新興材料。”