研究背景

有机–无机混合钙钛矿纳米晶体（PNCs）是一类重要的半导体材料，因其优异的光电特性而在光电器件领域，尤其是光电二极管、太阳能电池、激光器和闪烁体等方面展现出广泛应用潜力。与传统的II–VI、IV–VI和III–V家族材料相比，PNCs具有更高的光致发光量子产率（PLQY）、窄发射线宽、大吸收截面和长激子相干时间等显著优点。然而，尽管PNCs在性能上具有明显优势，但其合成过程中存在着难以控制的快速反应动力学问题，这使得其生长时间非常短（通常为数十秒），导致难以实现单分散和高质量的纳米晶体，限制了其大规模应用和性能优化。

成果简介

为了解决这一问题，苏州大学马万里教授、刘泽柯副教授团队合作在Nature Synthesis期刊上发表了题为“Diffusion-mediated synthesis of high-quality organic–inorganic hybrid perovskite nanocrystals”的最新论文。该团队设计了一种扩散介导的合成方法，通过选择适当溶解度的铅前体来调控反应溶剂，成功缓解了传统合成方法中的反应速率问题。

具体而言，采用Pb(SCN)2作为铅源，其有限的溶解度有效地减缓了前体向反应体系中单体的输送，从而使反应过程更加缓慢且可控。这一创新策略显著延长了反应时间，从传统的几十秒延长至180分钟，同时保持了尺寸分布的集中和均匀性。通过这种扩散介导的策略，研究团队成功合成了高质量的混合PNCs，且获得了接近单位的光致发光量子产率和较高的单分散性。

研究亮点

1. 实验首次提出了一种扩散介导的合成方法，通过选择具有适当溶解度的铅前体（Pb(SCN)2）来调控反应动力学，成功延长了有机–无机混合钙钛矿纳米晶体（PNCs）的合成时间。

2. 实验通过选择Pb(SCN)2作为铅源，利用其有限的溶解度，持续供应铅离子，显著减缓了反应的动力学过程。这种方法使得混合PNCs的合成时间从通常的几十秒延长至180分钟。

3. 实验进一步验证了该策略可以有效保持尺寸集中阶段，确保了PNCs在延长合成时间的同时，保持了较高的单分散性。

4. 实验结果表明，采用该扩散介导的合成方法，最终获得了具有接近单位光致发光量子产率（PLQY）的高质量混合PNCs，具备了较高的单分散性和稳定性。

图文解读

图1. 杂化卤化铅PNCs的生长机理。

图2. 监测常规合成和扩散介导法合成的FAPbI3纳米晶体的生长。

图3. 尺寸变化的动力学研究。

图4. 扩散介导合成方法扩展到有机-无机杂化FAPbX3 (X=I, Br, Cl) PNCs胶体合成。

图5. 扩散介导合成方法扩展到有机-无机杂化MAPbX3 (X = I, Br, Cl) PNCs胶体合成。

图6. FAPbI3纳米晶体薄膜的载流子动力学。

结论展望

本文提出的扩散介导合成策略为有机–无机混合钙钛矿纳米晶体（PNCs）的高质量合成提供了新思路。通过利用Pb(SCN)2的有限溶解度，显著降低了反应速率，使得合成过程可以持续长达180分钟，远远超过传统方法的时间尺度。

这种延长的合成时间不仅促进了尺寸分布的狭窄性，还为进一步的合成设计（如掺杂、核壳结构、异质结构等）提供了更大的灵活性。这表明，扩散控制的反应动力学对于实现高单分散性和接近单位光致发光量子产率（PLQY）的PNCs至关重要。此策略不仅推动了PNCs的高质量合成，还为其在光电器件、光伏等领域的广泛应用提供了可能。

此外，延长的合成时间也为生产规模化提供了保障，意味着未来在材料工程中，我们可以通过精细调控反应动力学，实现更高效的材料合成与大规模生产。这为新型光电材料的应用研究和产业化铺平了道路。

文献信息

Sun, X., Yuan, L., Liu, Y. et al. Diffusion-mediated synthesis of high-quality organic–inorganic hybrid perovskite nanocrystals. Nat. Synth (2024).