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新兴的卤化物钙钛矿铁电体

注:文末有研究团队简介及本文科研思路分析


卤化物钙钛矿材料因其具有优异的光电性能,在太阳能电池、发光二极管、以及光电探测方面有着广泛的研究。近期,研究人员在卤化物钙钛矿材料中发现了一种新的物理特性——铁电性,引起学界的强烈关注。香港城市大学王锋教授团队通过对卤化物钙钛矿铁电材料前沿研究的总结,全面、系统地综述了卤化物钙钛矿铁电材料的研究现状。


相比于传统的氧化物钙钛矿铁电体,卤化物钙钛矿铁电体具有结构柔软、重量轻和易于加工等天然优势,在小型化和柔性化器件中展现出极具潜力的应用前景。基于卤化物钙钛矿铁电体的这些优势,不少学者对卤化物钙钛矿铁电体进行了初步研究与设计。然而,迄今尚未有系统全面的综述对卤化物钙钛矿铁电材料进行详细报导。本综述通过对卤化物钙钛矿铁电材料前沿研究的总结,全面、系统地展示了卤化物钙钛矿铁电材料的研究现状。


香港城市大学王锋教授团队根据卤化物钙钛矿材料的结构维度特点,系统全面地展示了不同维度卤化物钙钛矿铁电材料的研究现状(如图1)。文章首先介绍卤化物钙钛矿材料的铁电性主要来源于离子的相对位移或有机阳离子从无序状态到有序状态的转变以及二者的协同作用。随后,作者从Goldschmidt容忍因子出发,详细描述了卤化物钙钛矿材料从三维结构向二维、一维以及零维结构的演变可能性。根据Goldschmidt容忍因子对钙钛矿不同维度结构的约束力,结合不同维度卤化物钙钛矿材料的结构特点,指出二维卤化物钙钛矿材料具有较大的结构灵活性,是设计卤化物钙钛矿铁电体的较优选择。同时,作者通过介绍二维卤化物钙钛矿材料的两种特殊结构Ruddlesden-Popper (R-P) 和Dion-Jacobson (D-J) 结构。从R-P和D-J二维结构特点出发,指出R-P结构为设计性能优异的二维铁电体提供更多的可能性,为读者设计优异的卤化物钙钛矿铁电体提供借鉴思路。此外,作者针对当下争议“MAPbI3(MA = CH3NH3)材料中是否存在铁电性”进行分析,并提出产生争议的关键点:其一,MAPbI3的固有性质(如离子迁移、相分离和电荷积累)在结构表征或性能测试过程中可能产生类铁电行为,大大增加辨别MAPbI3是否为铁电体的难度。另一方面,压电力显微镜(PFM)在测试过程中产生的电化学耦合和本征铁电特性的机电耦合具有相近的信号,亦会大幅提高分析MAPbI3中是否存在铁电性的难度。同时,根据卤化物钙钛矿铁电体的特定物理特性,作者总结了卤化物钙钛矿铁电材料在铁电光伏、自供电光电探测和X射线探测中的潜在应用。最后,作者尝试提出未来发展卤化物钙钛矿铁电材料的主要挑战和可能的解决方案。

图1. 铁电体的发现和卤化物钙钛矿铁电体的重大发展。图片来源:Adv. Mater.


这一成果近期发表在Advanced Materials 上,文章的第一作者是香港城市大学博士后郑为霖


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Emerging Halide Perovskite Ferroelectrics

Weilin Zheng, Xiucai Wang, Xin Zhang, Bing Chen, Hao Suo, Zhifeng Xing, Yanze Wang, Han-Lin Wei, Jiangkun Chen, Yang Guo, Feng Wang*

Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202205410


王锋教授简介


王锋,香港城市大学材料科学与工程学系教授。2006年于浙江大学取得博士学位,2007年至2012年在新加坡国立大学及新加坡科技研究局进行进行博士后研究,2012年9月起就职于香港城市大学。课题组主要从事镧系和过渡金属离子掺杂的纳米/微结构材料的合成、表征及其应用研究。研究内容包括:湿化学法和固相反应法合成新型纳米晶、微米晶和复合材料,并在纳米尺度上精确控制掺杂离子的浓度和空间分布,用以实现光谱调控;通过显微技术和光谱学技术对材料进行系统表征,促进理解和控制掺杂离子的相互作用;研究材料发光行为,主要涵盖光致发光(photoluminescence),力致发光(mechanoluminescence)和电致发光(electroluminescence)。曾获得Highly Cited Researcher by Clarivate Analytics (2018),RGC Research Fellowship (2020),Top 2% researcher in the world (2020, 2021 Report by Stanford University),Fellowship of the Royal Society of Chemistry (FRSC) (2022) 等荣誉。


课题组目前正在招聘发光材料与器件方向的博士后,欢迎对该方向感兴趣的同学来信(fwang24@cityu.edu.hk)查询。


课题组主页:

http://staffweb1.cityu.edu.hk/fwang24/index.htm 

https://www.x-mol.com/groups/wang_feng 


科研思路分析


Q:撰写这篇综述的思路来源是什么?或者说为什么撰写这篇综述。

A:随着卤化物钙钛矿材料在各个领域的深入研究,研究人员在卤化物钙钛矿材料中发现了铁电性,相关研究工作近期陆续被报导。事实上,在卤化物钙钛矿材料还未成为热点研究材料之前,不少卤化物钙钛矿铁电材料以“分子铁电体”的名字出现在一些研究工作中。针对上述情况,本文作者认为很有必要为卤化物钙钛矿铁电材料做一个系统而全面的总结概括,梳理卤化物钙钛矿铁电领域的发展情况,为后期开展卤化物钙钛矿铁电材料的研究人员或者即将准备进入这个领域的研究人员提供较为全面的研究资料与素材,并试图提出未来的可能研究内容与方向。


Q:卤化物钙钛矿铁电材料的研究价值在哪里?

A:研究价值可以从两个方面体现。一方面,应用前景诱人。卤化物钙钛矿材料具有结构柔软、重量轻和易于加工等天然优势,在小型化和柔性化器件中展现出极具潜力的应用前景。我们知道,小型化与柔性化是未来发展器件的核心追求。因此,具备这些优势的卤化物钙钛矿铁电材料必然成为小型化、柔性化器件追求的理想材料之一;另一方面,研究前景广阔。当前,科学界对卤化物钙钛矿铁电材料的研究处于早期阶段。研究人员对卤化物钙钛矿铁电材料的研究多数还集中于材料设计。换句话说,研究人员对大多数卤化物钙钛矿铁电材料的物理性能的理解十分有限,这有待更多的研究人员加入去填补该领域的诸多空白。



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