【引言】
鹵化物鈣鈦礦材料由于具有很高的光吸收效率、較長(zhǎng)的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度、較強(qiáng)的光發(fā)射譜以及極低的非輻射電荷復(fù)合等優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)于發(fā)展高性能的光電器件來(lái)說(shuō)是極有吸引力的光活性材料。這些光電器件不僅成本低，而且容易制作。要實(shí)現(xiàn)鹵化物鈣鈦礦基光電器件（HPODs）的最佳性能，就要使鈣鈦礦光活性層與電極、界面層和封裝薄膜等功能材料進(jìn)行結(jié)合并有效地運(yùn)行。由于傳統(tǒng)的二維材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和/或有趣的光電特性，因此是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的合適候選。
近日，清華大學(xué)石高全教授（通訊作者）等人以“Two-Dimensional Materials for Halide Perovskite-Based Optoelectronic Devices”為題在Advanced Materials上發(fā)表綜述，廣泛總結(jié)了傳統(tǒng)二維材料在鹵化物鈣鈦礦基光電器件（光探測(cè)器、太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管）中應(yīng)用的最新進(jìn)展。這些二維材料包括了石墨烯及其衍生物、單層或多層過(guò)渡金屬硫化物（TMDs）、石墨炔、金屬納米片等。此外，文中也對(duì)二維納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦和二維Ruddlesden-Popper鈣鈦礦在高效和穩(wěn)定光活性層中的應(yīng)用作了概述。關(guān)于二維材料的制備、功能和工作機(jī)理等方面也作了介紹，最后探討了二維材料在鹵化物鈣鈦礦基光電器件中應(yīng)用時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)。
綜述總覽圖
1. 概述
近年來(lái)，由于鹵化物鈣鈦礦材料在高性能光電器件中的應(yīng)用潛力，因此吸引了研究者們極大的關(guān)注。一般來(lái)說(shuō)，鹵化物鈣鈦礦材料可以用化學(xué)式ABX3表示，其中，A代表一價(jià)陽(yáng)離子（例如Cs+、Rb+、CH3NH3+或HC(NH2)2+），B代表二價(jià)金屬離子（例如Pb2+、Sn2+、Ge2+），X代表鹵化物離子（典型的如Cl-、Br-、I-或它們的混合）。一個(gè)典型的三維鈣鈦礦晶體中B占據(jù)一個(gè)[BX6]4-八面體的中心，同時(shí)，A在立方八面體內(nèi)是12配位的，與X離子在一起，并在理想的情況下，組成一個(gè)完美的立方晶格結(jié)構(gòu)。三維鈣鈦礦材料是一種直接帶隙半導(dǎo)體，其具有較高的光吸收效率、可調(diào)的光譜吸收邊、較高的載流子遷移率、較長(zhǎng)的電荷擴(kuò)散距離、較強(qiáng)的光致發(fā)光譜和極低的非輻射電荷復(fù)合率等優(yōu)點(diǎn)。這使其在各種光電器件中都具有很大的應(yīng)用潛力。通常情況下都是將鹵化物鈣鈦礦制成多晶薄膜覆于不同襯底上制作光電器件。最近，具有極少晶界和極低陷阱密度的塊體鈣鈦礦單晶和低維納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦晶體橫空出世。此外，具有良好抗?jié)裥阅艿亩SRuddlesden-Popper層狀鈣鈦礦也在光電器件中得到了應(yīng)用。二維層狀鹵化物鈣鈦礦材料具有以下化學(xué)通式：(RNH3)2(CH3NH3BX3)n-1BX4，其中，R為長(zhǎng)鏈的烷基或芳香基團(tuán)，n為處于兩層有機(jī)鏈間的金屬離子層的數(shù)目。不同的鈣鈦礦材料具有不同的特性。
此外，許多傳統(tǒng)的二維材料也具備出色的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械和催化特性。這些二維材料包括石墨烯及其衍生物、過(guò)渡金屬硫化物（TMDs）和石墨炔等。它們獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使得其很容易處理或組裝成統(tǒng)一的構(gòu)型，并且可以形成具有高度取向的柔性超薄膜微結(jié)構(gòu)。因此，近年來(lái)二維材料廣泛應(yīng)用在光電器件中的功能層。然而，截至目前，關(guān)于二維材料在鹵化物鈣鈦礦基光電器件中的應(yīng)用這一領(lǐng)域還沒(méi)有進(jìn)行廣泛系統(tǒng)的總結(jié)。
圖1 鈣鈦礦材料及不同二維材料的晶體結(jié)構(gòu)
2. 二維材料在鹵化物鈣鈦礦基光探測(cè)器中的應(yīng)用
光探測(cè)器是利用電子過(guò)程探測(cè)光信號(hào)的一種半導(dǎo)體器件。它們?cè)诔上裣到y(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、光學(xué)通信和生物傳感領(lǐng)域扮演著重要的角色。一般來(lái)說(shuō)，光探測(cè)器的工作包含三個(gè)過(guò)程：1）由入射光產(chǎn)生電荷載流子；2）電荷載流子的輸運(yùn)或/和增加；3）載流子電荷的輸出產(chǎn)生電流信號(hào)。評(píng)估光探測(cè)器的主要指標(biāo)如下：光靈敏度、外量子效率、光電導(dǎo)增益、光/暗電流比和響應(yīng)時(shí)間。除此之外，其他比較重要的指標(biāo)還有敏感度相關(guān)的比探測(cè)率、噪聲等效功率和線性動(dòng)態(tài)范圍。下面就對(duì)二維材料在鹵化物鈣鈦礦基光探測(cè)器中的應(yīng)用作一敘述。
圖2 鹵化物鈣鈦礦光探測(cè)器的結(jié)構(gòu)
2.1 傳統(tǒng)二維材料/鹵化物鈣鈦礦多晶混合光探測(cè)器
鹵化物鈣鈦礦多晶薄膜（PFs）可以通過(guò)低溫和溶液旋涂、噴射和刀片涂覆等方法制備，并可以在不同襯底上形成大面積的薄膜。鹵化物鈣鈦礦多晶薄膜的質(zhì)量也可以進(jìn)一步通過(guò)加熱處理、溶液熱處理、環(huán)境控制或者溶劑工程來(lái)提高。然而，由于電荷的復(fù)合，所以這種薄膜的光響應(yīng)較低。為了解決這一問(wèn)題，可以將化學(xué)氣相沉積（CVD）制備的高質(zhì)量石墨烯層作為MAPbI3-PF光吸收體的襯底，由此得到的光探測(cè)器具備較高的光響應(yīng)、外量子效率、光探測(cè)率和較寬的響應(yīng)頻譜，如圖3所示。
圖3 石墨烯/MAPbI3-PF混合光探測(cè)器
石墨烯/鈣鈦礦混合光探測(cè)器由于石墨烯的零帶隙，因此具有較高的暗電流，這降低了其光/暗電流比、光探測(cè)率和噪聲等效功率。諸如WS2的過(guò)渡金屬硫化物（TMDs）具備帶隙可調(diào)、載流子遷移率高、較好的能帶排列的優(yōu)點(diǎn)，因此可以用來(lái)抑制混合光探測(cè)器的暗電流，如圖4所示。此外，鹵化物鈣鈦礦薄膜的形貌也在光電器件的性能方面扮演者重要的角色。如圖5所示。
圖4 TMD/MAPbI3-PF混合光探測(cè)器
圖5 石墨烯/MAPbBr2I-Is混合光晶體管
2.2 石墨烯/鹵化物鈣鈦礦納米晶體混合光探測(cè)器
單晶鹵化物鈣鈦礦沒(méi)有晶界，并且具有很少的結(jié)構(gòu)缺陷，相比薄膜，表現(xiàn)出了很高的載流子遷移率和更長(zhǎng)的載流子壽命。據(jù)報(bào)道，利用溶液法生長(zhǎng)的MAPbI3單晶的電子和空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度超過(guò)了175μm，比其薄膜高出三個(gè)數(shù)量級(jí)。鹵化物鈣鈦礦的尺寸和維數(shù)對(duì)其獨(dú)特光學(xué)和電學(xué)性能的影響至關(guān)重要。得益于各向異性的幾何結(jié)構(gòu)和小尺寸效應(yīng)，一維鈣鈦礦納米線表現(xiàn)出了有趣的光電子特性，其與石墨烯的結(jié)合也是提高器件性能的好辦法。
圖6 石墨烯/鹵化物鈣鈦礦納米晶體混合光探測(cè)器
2.3 二維納米結(jié)構(gòu)的鹵化物鈣鈦礦基光探測(cè)器
嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，相比于三維方向，二維材料的原子排列更有序，鍵的強(qiáng)度更強(qiáng)。然而，本文中討論的二維材料不僅包括傳統(tǒng)的二維材料（石墨烯及其衍生物、過(guò)渡金屬硫化物等），還包括具有二維納米結(jié)構(gòu)的鹵化物鈣鈦礦和二維Ruddlesden-Popper層狀鈣鈦礦。進(jìn)一步地，這些二維材料廣泛包括了單層、多層、異質(zhì)結(jié)構(gòu)甚至厚度從一個(gè)原子到幾十納米的層狀薄膜。
近兩年來(lái)，二維納米結(jié)構(gòu)的ABX3型鹵化物鈣鈦礦已經(jīng)通過(guò)包括化學(xué)氣相沉積、一步溶液自組織法和膠體化學(xué)的方法制備出來(lái)。這些納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦材料表現(xiàn)出了很高的光致發(fā)光量子效率、量子限域和量子尺寸效應(yīng)、較長(zhǎng)的電子擴(kuò)散長(zhǎng)度，并且激子結(jié)合能較大，這些特點(diǎn)都使得它們?cè)诓煌怆娖骷I(lǐng)域具備極大的應(yīng)用潛力。
圖7 基于二維ABX3型鹵化物鈣鈦礦的光探測(cè)器
圖8 基于準(zhǔn)二維鈣鈦礦片和傳統(tǒng)二維材料的范德瓦爾斯器件
總得來(lái)說(shuō)，相比于純的鈣鈦礦光探測(cè)器，基于傳統(tǒng)二維材料和鈣鈦礦薄膜或納米結(jié)構(gòu)晶體的結(jié)合通常都表現(xiàn)出了極好的性能。這主要是由于傳統(tǒng)二維材料中較高的電荷遷移率，并且這促進(jìn)了界面的電荷轉(zhuǎn)移。二維納米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦具有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和較高的電荷遷移率。因此，與基于三維鈣鈦礦的光探測(cè)器相比，基于這些材料的光探測(cè)器表現(xiàn)出了更好的性能和更好的環(huán)境穩(wěn)定性。
3. 二維材料在鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用
太陽(yáng)能電池可以將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能。由于太陽(yáng)能電池既可靠又安全，因此成為了替代化石燃料的最佳選擇。與光探測(cè)器的工作原理類似，太陽(yáng)能電池也牽涉到電荷載流子的產(chǎn)生和分離、載流子的輸運(yùn)和電極對(duì)載流子的收集。評(píng)價(jià)太陽(yáng)能電池性能的重要參數(shù)有短路電流密度（Jsc）、開(kāi)路電壓（Voc）、填充因子（FF）、能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）和外量子效率（EQE）。
自從2009年Miyasaka等人首次報(bào)道了PCE為3.8%的鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（HPSC）以來(lái)，人們一直致力于提高太陽(yáng)能電池的性能，并在成分控制、形貌、鹵化物鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)、界面工程和器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行了廣泛的研究。截止目前，主要有四種固態(tài)器件結(jié)構(gòu)：介觀結(jié)構(gòu)、介觀平面雙層結(jié)構(gòu)、p-i-n平面結(jié)構(gòu)和n-i-p平面結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖9）。
圖9 四種固態(tài)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)
3.1 石墨烯電極
單層或多層石墨烯薄膜具有較高的電導(dǎo)率和光透過(guò)率、良好的柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度、規(guī)整的表面和出色的熱和化學(xué)穩(wěn)定性，因此，石墨烯有望取代昂貴且易碎的ITO或氟摻雜的二氧化錫（FTO）透明底電極，甚至可以取代HPSCs中的金屬上電極。
a. 石墨烯底電極
在2015年，Choi等人首次報(bào)道了利用CVD制備的石墨烯作為p-i-n平面HPSC的透明底陽(yáng)極。這種太陽(yáng)能電池的PCE達(dá)到了17.1%，在無(wú)ITO或FTO的太陽(yáng)能電池中具有最高效率。這里的氧化石墨烯充當(dāng)了抗腐蝕層來(lái)阻止下方銀網(wǎng)絡(luò)對(duì)鹵化物鈣鈦礦的腐蝕，一部分氧化石墨烯提高了電導(dǎo)率和銀網(wǎng)絡(luò)/還原氧化石墨烯的功函數(shù)的一致性。此外，這種涂覆于PET襯底上的復(fù)合物薄膜也構(gòu)建了一個(gè)柔性的p-i-n HPSC。
圖10 將石墨烯作為HPSCs的透明底電極（TBEs）
b. 石墨烯頂電極
石墨烯也可以替代HPSCs的貴金屬頂電極來(lái)構(gòu)建半透明的太陽(yáng)能電池（SSCs）。SSCs可以在頂部和底部吸收光線，這有望組成串聯(lián)電池組并應(yīng)用于一些特殊場(chǎng)合，例如光伏窗簾和建筑物內(nèi)集成的光伏器件等。2015年，Yan等人首次報(bào)道了由多層CVD石墨烯構(gòu)成頂電極的n-i-p平面半透明HPSCs。在最佳條件下，將雙層石墨烯作為TE的HPSC中FTO面的PCE為12.37%，石墨烯面的PCE為12.03%。
圖11 石墨烯作為頂電極（TEs）的HPSCs
3.2 傳統(tǒng)二維材料作為HPSCs的電子傳輸層
在HPSCs的界面工程中，使用合適的界面層是最大化PCEs和提升器件穩(wěn)定性的重要方法。理想的界面層，包括ETLs和HTLs，應(yīng)該具備廉價(jià)、可用溶液處理、化學(xué)和熱穩(wěn)定性的特點(diǎn)，最為重要的是，對(duì)于選擇性的電荷剝離來(lái)說(shuō)，其應(yīng)具有合適的能級(jí)一致性。
a. 石墨烯/金屬氧化物復(fù)合ETLs
對(duì)于介觀和n-i-p平面HPSCs來(lái)說(shuō)，諸如TiO2和ZnO的金屬氧化物廣泛應(yīng)用在緊湊型和介孔ETLs中，然而，它們的制備過(guò)程需要高溫?zé)Y(jié)，并且與柔性的襯底不匹配。另一方面，石墨烯及其衍生物由于其雙極輸運(yùn)特性、很高的載流子遷移率和極易調(diào)控的費(fèi)米能級(jí)，因此成為了ETLs和HTLs最具希望的選擇。理論計(jì)算表明，石墨烯或其與金屬氧化物的復(fù)合可以應(yīng)用于高效ETLs中。
圖12 將石墨烯/TiO2復(fù)合物作為HPSCs中的ETLs
圖13 傳統(tǒng)二維材料在HPSCs中作為ETLs
b. 其他傳統(tǒng)二維材料在ETLs中的應(yīng)用
石墨烯基ETLs的成功極大地鼓舞了基于其他傳統(tǒng)二維材料的ETLs的發(fā)展。例如，PCBM作為ETL在p-i-n平面HPSCs得到了最廣泛的應(yīng)用，然而，PCBM也有覆蓋率低、泄露電流和界面重組的缺點(diǎn)。因此，在2015年，Li等人將二維石墨炔作為PCBM層的摻雜劑，在HPSC中充當(dāng)ETL。石墨炔具有定域的π體系，其中包含了sp和sp2雜化的碳原子和天然的空穴。所以石墨炔摻雜的PCBM層表現(xiàn)出了電導(dǎo)率的顯著提升，較高的電子遷移率和高效的電荷剝離。此外，這一組合也顯示了較高的覆蓋率，這說(shuō)明其具有良好的界面接觸和更少的電荷復(fù)合。
3.3 傳統(tǒng)二維材料在HPSCs中作為空穴傳輸層
空穴傳輸層（HTL）是另一個(gè)提升HPSCs的PCE和穩(wěn)定性的重要界面層。理想的HTL應(yīng)該具備合適的選擇性能級(jí)和從光吸收體有效剝離空穴并將其傳輸?shù)较嚓P(guān)電極上的能力。對(duì)p-i-n平面HPSCs來(lái)說(shuō)，盡管PEDOT：PSS在HTL中廣泛使用，但是其也具有酸性和天然的吸濕性的缺點(diǎn)。因此，一些替代物已經(jīng)被研究出來(lái)。其中，傳統(tǒng)的二維材料，諸如石墨烯及其衍生物，它們具備合適的功函數(shù)，可以作為高效的HTLs。
a. 傳統(tǒng)二維材料作為p-i-n平面HPSCs的HTLs
2014年，Sun等人首次報(bào)道了將氧化石墨烯作為HTL，替代傳統(tǒng)的PEDOT：PSS，應(yīng)用于具有ITO/GO/MAPbI3-xClx/PCBM/ZnO/Al結(jié)構(gòu)的p-i-n平面HPSC中。PL的測(cè)量表明從鈣鈦礦光吸收體到氧化石墨烯HTL間發(fā)生了高效的電荷傳輸。與此同時(shí)，氧化石墨烯HTL上的鈣鈦礦薄膜表現(xiàn)出了同質(zhì)的表面覆蓋和高度擇優(yōu)取向。因此，基于2nm厚氧化石墨烯HTL的電池的PCE提高至12.4%（平均PCE為11.11%），遠(yuǎn)超基于PEDOT：PSS的HTL的電池（平均PCE為9.26%）。另外，氧化石墨烯在高氧含量下是惰性的，因此，這對(duì)于減少器件電阻，增加氧化石墨烯的電導(dǎo)率是有效的。
圖14 傳統(tǒng)二維材料作為p-i-n平面HPSCs中的HTLs
b. 傳統(tǒng)二維材料在介觀HPSCs中作為HTLs
鈣鈦礦吸收層和HTL間的界面接觸對(duì)于器件性能是至關(guān)重要的。基于這一原則，Wang等人將具有親水邊和疏水底面的兩親氧化石墨烯片作為鈣鈦礦和HTL間的緩沖層用以提高它們的界面接觸。氧化石墨烯可以和鈣鈦礦以Pb-O鍵相連，同時(shí)二維結(jié)構(gòu)吸收的Spiro-MeOTAD通過(guò)π-π相互作用實(shí)現(xiàn)。在氧化石墨烯修飾后，Spiro-MeOTAD在鈣鈦礦表面的接觸角減小至零度。與此同時(shí)，絕緣的氧化石墨烯緩沖層抑制了界面電荷的復(fù)合。因此，相比沒(méi)有氧化石墨烯緩沖層的電池，介觀HPSC表現(xiàn)出了更高的PCE、Jsc、Voc和FF。
圖15 傳統(tǒng)二維材料作為介觀HPSCs的HTLs
3.4 石墨烯衍生物作為HPSCs中光敏感層的添加劑
鹵化物鈣鈦礦的形貌、晶粒尺寸和表面特性對(duì)于HPODs的性能來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。一些研究已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了控制具有大晶粒表面的光滑度以及鈍化表面俘獲態(tài)的重要性。在這一目標(biāo)下，氮摻雜的氧化石墨烯（N-rGO）添加到了鹵化物鈣鈦礦中。N-rGO是由基于氮摻雜和氧化石墨烯還原同時(shí)發(fā)生的一步法水熱反應(yīng)制備出來(lái)的。由于N-rGO中氮吡咯和鈣鈦礦中氫原子的相互作用，因此鈣鈦礦：N-rGO表現(xiàn)出了更低的結(jié)晶性和較大的晶粒，所以鈣鈦礦：N-rGO混合薄膜可以作為介觀HPSC中的光活性層。
圖16 氮摻雜的還原氧化石墨烯（N-rGO）作為鹵化物鈣鈦礦光活性層的添加物
3.5 二維層狀鈣鈦礦作為HPSCs的光活性層
鹵化物鈣鈦礦基本上是ABX3的立方結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)A是一個(gè)較大的有機(jī)陽(yáng)離子時(shí)，它很難進(jìn)入密集的立方晶體之中，這時(shí)，層狀的Ruddlesden-Popper鈣鈦礦就會(huì)形成，其通式為(RNH3)2(CH3NH3BX3)n-1BX4。層狀的鈣鈦礦可以視作將三維鈣鈦礦框架“切片”成為二維平面的衍生物。人們已經(jīng)研究了層狀鈣鈦礦的制備及其光學(xué)和電子特性，結(jié)果表明，其有極大潛力發(fā)展穩(wěn)定和高效的光伏器件。
4. 二維材料在鹵化物鈣鈦礦基發(fā)光二極管中的應(yīng)用
根據(jù)Shockley-Queisser極限，高效的太陽(yáng)能電池材料同時(shí)應(yīng)該也是較好的光發(fā)生器。鹵化物鈣鈦礦在太陽(yáng)能電池中的優(yōu)異表現(xiàn)預(yù)示著其在發(fā)光二極管（LEDs）中也是一種極具吸引力的材料。LEDs是一種基于諸如鈣鈦礦這類光發(fā)生半導(dǎo)體的固態(tài)發(fā)光器件。LEDs應(yīng)該能夠提供高效便捷具有不同顏色的點(diǎn)光源，并能應(yīng)用在顯示及照明領(lǐng)域。對(duì)于LEDs來(lái)說(shuō)，評(píng)估其性能的參數(shù)包括發(fā)光體的光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）、EQE、亮度和電流效率。鹵化物鈣鈦礦LED（HPLED）一般由作為發(fā)光體的鈣鈦礦層、n型ELT和p型HTL組成，其中鈣鈦礦層插入具有陽(yáng)極的n型ELT和具有陰極的p型HTL之間，這和平面HPSC的結(jié)構(gòu)類似。理想情況下，通過(guò)電極的電荷載流子的注入應(yīng)該高效地傳輸?shù)解}鈦礦發(fā)射體中，并且只限于發(fā)生高效的輻射結(jié)合。然而，諸如石墨烯和過(guò)渡金屬硫化物的傳統(tǒng)二維材料在HPLEDs中的應(yīng)用鮮有報(bào)道。因此，本文主要討論二維納米結(jié)構(gòu)或?qū)訝钼}鈦礦光發(fā)生體。
圖17 二維納米結(jié)構(gòu)ABX3型鈣鈦礦作為光發(fā)生層
4.1 二維納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦作為光發(fā)生層
為了增強(qiáng)光發(fā)生層材料的PLQY，許多三維鈣鈦礦被裁減為二維的納米結(jié)構(gòu)。例如，全無(wú)機(jī)的銫鉛鹵化物鈣鈦礦具有較高的發(fā)光，其PLQY達(dá)到了84%。然而，基于二維ABX3型鈣鈦礦NPLs或NSs的HPLED卻鮮有報(bào)道。直到最近，Gao等人才發(fā)展了一種二維MAPbBr3 NPL基的HPLED，其可在室溫條件下發(fā)出高亮度的綠光。
4.2 二維Ruddlesden-Popper層狀鈣鈦礦作為光發(fā)射層
盡管ABX3型鈣鈦礦基HPLEDs在最近幾年才出現(xiàn)，但是基于二維層狀(PEA)2PbI4的HPLEDs已經(jīng)在二十世紀(jì)九十年代被報(bào)道出來(lái)，其在液氮溫度下具有24V的高工作電壓。這樣嚴(yán)格的工作條件限制了這些器件的實(shí)際應(yīng)用。這也就是二維長(zhǎng)鏈鈣鈦礦在LEDs中的應(yīng)用在過(guò)去二十年間發(fā)展緩慢的原因。近期，具有高發(fā)射特性、激子結(jié)合能高的層狀鈣鈦礦成為了研究的熱點(diǎn)。
圖18 二維Ruddlesden-Popper層狀鈣鈦礦作為光發(fā)射層
總得來(lái)說(shuō)，基于二維或準(zhǔn)二維的層狀鈣鈦礦表現(xiàn)出了高亮度的發(fā)射特性、較寬的顏色可調(diào)范圍以及極好的顏色純度。這些器件的性能優(yōu)于三維鈣鈦礦材料，主要源于較高的激子結(jié)合能和PLQY以及層狀鈣鈦礦中高效的輻射復(fù)合。溫和的溶液處理和成分靈活性的結(jié)合使得二維層狀鈣鈦礦及其納米結(jié)構(gòu)成為了HPLEDs中光發(fā)生器研究的主流。
【總結(jié)和展望】
鹵化物鈣鈦礦材料具備的光學(xué)和電子特性驅(qū)動(dòng)了其在光電器件（HPODs）中的快速發(fā)展。二維材料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性質(zhì)使得其在HPODs中的應(yīng)用極具潛力。傳統(tǒng)的二維材料作為HPODs中的功能層也已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究。例如，它們可以作為電荷傳輸介質(zhì)和光探測(cè)器的封裝層，或者作為電極和太陽(yáng)能電池的界面層。二維納米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦和二維Ruddlesden-Popper層狀鈣鈦礦結(jié)合了傳統(tǒng)二維材料和鈣鈦礦材料的優(yōu)點(diǎn)，因此，它們可以在HPODs中作為高效的光活性材料。更重要的是，相比傳統(tǒng)材料，結(jié)合了二維材料的HPODs可以通過(guò)更廉價(jià)和更簡(jiǎn)單的過(guò)程進(jìn)行制作，并能進(jìn)一步得到更好的性能。二維材料在鹵化物鈣鈦礦基光探測(cè)器、太陽(yáng)能電池和LED中擁有巨大的潛力。然而，這些器件的實(shí)際應(yīng)用仍然面臨著以下挑戰(zhàn)：
1）結(jié)合二維材料的鹵化物鈣鈦礦基光電器件的工作機(jī)制仍有部分不清楚；
2）二維材料中的結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)其性能的影響還需要進(jìn)行系統(tǒng)性地研究；
3）結(jié)合二維材料的光電器件的性能和穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步提高。
但是，相信隨著對(duì)于二維材料和鈣鈦礦材料特性以及工作機(jī)制的進(jìn)一步了解，結(jié)合二維材料的HPODs必將擁有光明的未來(lái)。
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