米启兮课题组报道新型高性能半导体材料

burongyi

物质学院系统材料学研究部米启兮课题组针对一种化学式为CsSnBr3（溴化锡铯）的新型半导体材料进行了深入研究。与同类材料相比，更有利的晶体结构和能带结构使CsSnBr3在光照下产生自由载流子，对温湿度的稳定性也有显著提升，展现出在太阳电池和光探测器方面的良好应用前景。近日，该成果以“All-Inorganic Perovskite CsSnBr3as a Thermally Stable, Free-Carrier Semiconductor”为题，在国际知名学术期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上在线发表。

近年来，以ABX3为通式、具有钙钛矿类型结构的一大类半导体材料（简称“钙钛矿材料”）的光电转换性能被广泛研究。这一类材料中含有铅和有机阳离子的MAPbI3（碘化铅甲铵）已被制成高效率、低成本的新型太阳电池和光探测器，但甲铵对温湿度的不稳定性和铅的毒性限制了有机含铅钙钛矿材料的应用范围，而用锡替代铅被视为最有潜力的改进方案之一。

基于此，课题组选择了无机含锡钙钛矿材料作为研究对象。作者制备了高质量的CsSnBr3薄膜和晶体样品，用多种手段测量和计算了CsSnBr3的带隙能、激子结合能、介电常数和载流子有效质量等关键性能参数，尤其在带隙能和激子结合能两方面达到了实验和理论相吻合，证明CsSnBr3的激子结合能低于室温对应的热能。此结果说明CsSnBr3受光照产生的电子与空穴是自由运动的，有利于被收集并转化为电能。另一方面，作者利用有机钙钛矿材料作为参照物，表明CsSnBr3的半导体性能主要由其溴化锡框架决定，而无机铯离子显著地提升了材料的稳定性。

该研究成果定量揭示了CsSnBr3的关键半导体性能参数与其框架结构的关系；发现了CsSnBr3薄膜在空气中不易分解，具有比有机钙钛矿材料更高的稳定性；指出CsSnBr3的半导体性能特点适合制成叠层太阳电池和直接X射线探测器。

该论文的作者为李炳翰（2015级博士研究生、第一作者）、龙睿颖（2016级硕士研究生）、夏宇（2014级本科毕业生）和米启兮（助理教授、通讯作者），上科大为第一完成单位。论文中的实验测量和理论计算工作还得到了物质学院薛加民、李刚和宁志军教授课题组，以及分析测试中心余娜博士的热情帮助。

该项目得到了科技部国家重点研发计划、壳牌–中科院前瞻科学项目和上海科技大学超算平台的支持。与本论文相关的工作已申请中国发明专利（申请号：CN107059122A）。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201807674

CsSnBr3材料（中）的半导体性能（左）和稳定性（右）与同类材料相比具有显著优势