锑、铋基杂化钙钛矿半导体的合成及性能研究

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近年来,以APbX3(A=有机阳离子;X=卤素)为代表的铅基杂化钙钛矿材料(Pb-OHPs)的合成和性能研究已成为合成化学和材料科学的研究前沿和热点;此类材料虽具有突出的性能,但材料较差的水稳定性与铅的毒性始终是阻碍其进一步应用的关键科学问题。基于此,本论文选取低毒或无毒的锑、铋卤化物作为无机组分,疏水苯基吡啶衍生物做为有机组分,通过设计原位有机反应对有机组分的疏水性进行调控,合成了一系列水稳定性不同的杂化钙钛矿半导体,结合理论计算总结了杂化材料稳定性的调控合成规律,并对制备杂化材料的光电导性能进行了充分研究,获得结果如下:1.使用“无氢键”阳离子合成了两例具有一维结构的无铅杂化钙钛矿,分别为(1-甲基-4-苯基吡啶-1-鎓)BiI4(Me4ppi-BiI4)和(1-乙基-4-苯基吡啶-1-鎓)SbI4(Et4ppi-SbI4),并对两例化合物进行了水稳定性的研究。Me4ppi-Bi I4和Et4ppi-SbI4可以在75%的相对湿度下分别稳定存在35天和3天,均比对应的MA3M2I9型材料(MA=CH3NH3+)更稳定。重要的是,它们显示出良好的光电导行为,且响应和衰减时间短,并具有出色的光电流重复性,不仅为光电导应用提供了两个重要的水稳定无铅杂化钙钛矿半导体材料,而且还获得了稳定无铅杂化钙钛矿材料的有效合成策略。2.基于前述合成规律,合成了两例水稳定且具有更高光电响应的零维Sb基杂化钙钛矿,分别为(1-甲基-4-苯基吡啶-1-鎓)Sb4I16(Me4ppi-Sb4I16)和(1-正丁基-4-苯基吡啶-1-鎓)Sb4I16(Buty4ppi-Sb4I16),水稳定性研究表明两例化合物均可在75%的相对湿度下至少稳定存在50天,光暗电流比值分别为40.54和14.39,远优于Me4ppi-BiI4与Et4ppi-SbI4,可用于光电探测。3.基于“软相互作用力”策略,合成了一例Sb基杂化钙钛矿半导体(3-苯基吡啶-1-鎓)SbI4(H3ppi-Sb I4),其中无机锑碘阴离子链和有机3ppi阳离子间仅存在库仑相互作用力,该杂化物是首例报道的基于无机和有机组分间的库仑作用力构筑的Sb基杂化钙钛矿材料;H3ppi-SbI4表现出良好的光吸收、光电导性能以及优异的光电流稳定性,可作为光探测应用的新型无铅候选材料。
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