有机胺盐和金属卤化物通过自组装作用就形成了新型杂化钙钛矿,因为它具有自组装性,所以它既有了有机物的可塑性、较高的荧光发光效率、容易加工处理的特性和无机物在电子性能上的优势。这种新型钙钛矿拥有了功能的多样性便是来源于它的自组装性。例如当有机无机杂化钙钛矿由第四主族或第五主族元素组成,它就拥有了半导体性质,当它由稀土元素组成时,它便拥有了发光性质,当它由过渡金属组成时,它便有了磁性能。
1.3 新型杂化钙钛矿单晶和薄膜的制备方法
1.3.1 溶液冷却法
溶液冷却的方法是一种普遍的晶体生长的方法,同时也是现在研制新型杂化钙钛矿晶体比较常用的研制方法。这种方法是将一定量的有机胺氢卤酸盐和金属卤化物按一定比例在较高温度环境下溶于一定量的同一生长溶剂中,然后放入控温炉中以较低的冷却速率降低温度,一般就可以析出钙钛矿晶体。由于在不同的温度下,溶剂对有机无机钙钛矿晶体的溶解度不同,当温度下降时钙钛矿晶体的溶解度降低,从而从溶液中析出晶体。1987年,Poglitsch[6]等人发现了钙钛矿MAPbX3单晶的生长方法。他将甲胺水溶液、乙酸铅以及HX水溶液混合并在100℃保温,在降温到40℃,从而长出的钙钛矿晶体。如果想要获得较大的晶体,就一定要控制好降温速率,保持恒定的降温速率,这样才能更好的生长出晶体。这种方法对生长溶剂要求是能够溶解所有组分,常见的溶剂有甲醇、水、乙醇、2-丙醇、丙酮、乙二醇、溴化氢等溶液。起始温度一般和溶剂相关,沸点高的溶液一般起始温度也高,而低温与生长的晶体相关,一般在温度较低时会有结晶水出现,为了防止结晶水的出现,需要将温度控制在某一特定温度之上才能保证结出的晶体不含结晶水。Tom Baikie[7]曾经发表过一篇文章,文中提到过利用溶液冷却法生长杂化晶体CH3NH3PbI3应该将最低温度设置为40℃以上,由于当温度低于40℃时,析出的晶体是带有结晶水的(CH3NH3)4PbI6·2H2O。所以他将控温炉的温度设置为6小时内从100℃降低到46℃,就会有黑色沉淀析出,这是析出的只是形状不规则的小颗粒,若果想要析出大晶体,需要控制好降温速率,将从100℃降低到46℃的时间设置为4天就能得到2mm长的晶体。而且他还发现晶体在70℃时生长的速度最快,所以在70℃时可以保持较长时间。文献综述
1.3.2 溶剂蒸发法
溶剂蒸发法也是一种比较常见的生长晶体的方法,但是它和溶液冷却法相比更加简单。这种方法也是将一定量的有机胺氢卤酸盐和金属卤化物按一定比例分别溶于一定量的同一溶剂中,但不同的是它是把生长溶剂以一个缓慢的蒸发速度蒸发,从而使新型钙钛矿溶液达到过饱和状态,然后析出新型钙钛矿晶体。但是这种方法与之前的溶液冷却方法相比较,生长出的晶体的质量明显比较差。因为它的生长周期较长,这样就会导致在生长过程受到昼夜温差的影响以及其他外界因素的干扰,晶体就会生长出纹路,并且当溶液达到了过饱和的状态,晶体析出的速度会变得特别快,这时就难以控制结晶速度,导致析出的都是颗粒物。当然如果采用混合溶剂的话,可以相对的减少生长时间。Hattori T[8]曾经发表过一篇文章,他采用丙酮和硝基甲烷作为混合溶剂,在较短时间内就长出了(C6H5C2H4NH3)2PbCl4晶体。
这种方法虽然生长出的晶体质量不高,但它操作简单方便,所以当实验不需要考虑生长出的晶体大小时可以采用这类方法,因此用这类方法生长晶体的人还是有很多的。许多研究者为了长出较大的晶体,就在这个方法上进行了改良。国内就有一位研究者刘玉成[9]改良了这种方法。他将配置好的溶液放在一个较高的的温度环境中恒温生长12小时,同时他在溶液中放入了一颗籽晶,经过12小时的恒温生长后,籽晶就由原来的2mm长到了8mm。而溶液的浓度应该控制1.2mol/l左右,太低的话籽晶不长大反而被溶解,太高的话晶体析出速度太快,导致质量差。