卤素钙钛矿由于其优异的光电性能受到了越来越多的关注，如，卤素钙钛矿太阳能电池的光电转换效率可达22.1％。但是，由于有机无机杂化卤素钙钛矿中有机成分的分解和挥发，其长期稳定性很差。全无机卤素钙钛矿使用铯Cs原子替代了有机基团，显著的提高了卤素钙钛矿的稳定性，同时仍保持了优异的光电性能，是构建高效而稳定的光电器件的优异候选材料。但是，三维卤素钙钛矿体材料由于存在较高的晶体缺陷和较多的晶界，使得光生电子对复合率较高，同时降低了载流子迁移率，使得器件的性能难以提升。

近日，北京科技大学侯新梅教授领导的“绿色冶金”研究团队发表了题为“Tunable fabrication of single-crystalline CsPbI₃ nanobelts and their application as photodetectors”的研究论文，提出了合成并使用低维全无机卤素钙钛矿构建光电探测器以提升器件性能的方法，该成果被期刊《International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials》选为当期的正封面文章。

图1 期刊正封面

该文章使用热注入法，如图2，通过调控PbI₂原料量，对CsPbI₃的形貌进行调控，研究结果显示当PbI₂为87 mg时，所合成的CsPbI₃为典型的纳米带形貌，纳米带的宽为100 nm，厚为20 nm，长为5 μm。同时通过选区电子衍射和高分辨率投射电镜分析可知，该纳米带是结晶完好的单晶纳米带。基于单根纳米带，通过光刻、蒸镀、脱胶等步骤，构筑了单根CsPbI₃纳米带光电探测器。如图3，分别对该光电探测器的响应波长范围、响应时间、外量子效率、响应度、检测率等参数进行了测量。研究显示，该光电探测器的相应波长范围为250-450 nm，响应时间为0.5 s，外量子效率为2.39 × 10⁵%，响应度为770 A/W；尤其是检测率可达3.12 × 10¹² Jones，性能可与硅基光电探测器相媲美。

最后，该文章探讨了该光电探测器性能优异的原因。首先是全无机卤素钙钛矿具有优异的光电性能，如对光的吸收系数高，产生的光生载流子复合率低和寿命长。其次是CsPbI₃单晶纳米带具结晶度高，缺陷少，抑制了光生载流子的复合。第三纳米带的特殊形貌可以控制载流子传输路径，提高了响应效率。

图2 CsPbI₃形貌的调控：(a)和(d) 纳米棒，(b)和(e) 纳米带，(c)和(f) 纳米颗粒。

图3 CsPbI₃纳米带光电探测器性能曲线：(a) 响应波长，(b) 外量子效率和检测率，(c) 光功率响应曲线，(d) 光功率与电流拟合曲线。

 梯队介绍

北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心“绿色冶金”团队基于冶金物理化学理论基础，突破传统冶金、化工、能源、环境和材料等各学科割裂的局限，探究新型材料对钢铁、能源和环境领域的促进作用。梯队的主要研究方向包括：（1）界面反应动力学；（2）高温溶体界润特性研究；（3）新型高温陶瓷材料的开发；（4）冶金过程废水、废液、烟气和固废治理和综合利用；（5）新型光电、力电功能材料的开发与器件构筑等；（6）基于电化学冶金的功能材料多结构调控。目前有国家杰青1人，教授1人，副研究员2人，助理研究员1人。团队承担国家及省部级项目20余项，发表SCI论文150余篇，申请专利30余项，获得包括省部级奖项10余项。

侯新梅教授课题组

袁章福教授课题组