熊仁根等：一种新的甲膦基钙钛矿铁电体

pangzi

近日，在“东南大学十大科学与技术问题”启动培育基金的资助下，在东南大学化学化工学院江苏省“分子铁电科学与应用”重点实验室研究团队所建立的“铁电化学”学科基础上，团队充分利用铁电化学学科的理论基础及研究推论，合成了首例基于甲膦的无铅三维杂化钙钛矿铁电半导体(CH3PH3)SnBr3（图1），这是继甲胺和甲脒家族之外的三维杂化钙钛矿材料的首次突破。P元素与N元素均位列元素周期表的第VA族，具有相类似的价键性质。但由于P元素位于第三周期，甲膦阳离子具有较大的体积和较重的质量，不仅能满足构筑三维溴化亚锡钙钛矿铁电材料的需求，还可提高旋转能垒，从而显着提高相变温度。值得注意的是，该工作为基于铁电化学学科中的动量匹配理论成功设计分子铁电体的又一典型案例，并为构建三维杂化钙钛矿铁电半导体提供了有希望的新的A位阳离子。相关成果以“Methylphosphonium Tin Bromide: A 3D Perovskite Molecular Ferroelectric Semiconductor”为题在线发表在材料领域国际顶级期刊Advanced Materials《先进材料》上。以(CH3NH3)PbI3为代表的三维有机-无机杂化铅卤钙钛矿材料因其功能多样性和在光电应用领域的广阔发展前景（光电转换效率高达25.5%）而备受关注。著名的三维(CH3NH3)PbI3的优异光伏性能就被认为可能受益于其铁电极化。近些年来，尽管科学家们为扩展三维杂化钙钛矿家族做出了巨大努力，但收效甚微，A位点仅限于甲胺基或甲脒基阳离子。

图1. 三维(CH3PH3)SnBr3的晶体结构、相变行为和铁电性质。

        据悉，在此工作成果的启发下，团队还开发出其他基于甲膦的杂化钙钛矿材料如 (CH3PH3)SnI3。其中，(CH3PH3)SnI3也表现出更为突出的铁电和半导体特性（1.43 eV，图2），而其甲胺/甲脒类似物在室温却未能实现铁电性。基于其制备的甲膦基太阳能电池器件展现出优异的光电性能（当前在无添加剂条件下，光电转换效率为2.2%），这是中国科研人员独立研发的世界上第三类三维铁电钙钛矿铁电太阳能电池。该范例也成功佐证铁电化学势必将在未来的化学催化、材料设计、器件应用等诸多领域起到突破性作用。

图2. (a) (CH3PH3)SnBr3和(b) (CH3PH3)SnI3的紫外可见吸收光谱。

       化学化工学院博士生张含悦为论文第一作者和通讯作者，东南大学为唯一通讯单位和完成单位。
       论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005213

供稿：化学化工学院

         文章来源：东南大学

         熊仁根,1961年7月生，东南大学化学化工学院教授，博士生导师。1982年 江西大学化学系 学士（本科）,1982年9月 至 1985年 6 月 江西省印染厂技术员,1985年9月 至 1987年12月,延边大学化学系有机化学专业研究生（硕士），1991年9月 至 1994年8月，后勤工程学院，获机械润滑工程工学博士。1994年在南京大学配位化学研究所博士后研究。1996年在美国Puerto Rico大学从事博士后研究。1997年在美国Brandeis大学从事博士后研究。1998年在美国Boston学院任访问学者。1999-2006年为南京大学化学化工学院教授，博士生导师，南京大学中青年学术骨干。教育部长江学者特聘教授（2004年），也是国家杰出青年基金获得者（2002年），2013年入选中国科学院院士增选有效候选人名单。