由卤化钙钛矿薄膜制造的电子源 可有效降低电子设备关键部件的成本

洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的赖斯研究人员和合作者在公开获取的《自然通讯》论文中，描述了由卤化钙钛矿薄膜制造电子源的第一种方法，该方法可以将光有效地转换成自由电子。

制造商每年在由包含稀有元素（如镓，硒，镉和碲）的半导体制成的光电阴极电子源上花费数十亿美元。

这项研究的通讯作者，莱斯材料科学家和化学工程师阿迪亚·莫希特（Aditya Mohite）说：“这应该比目前市场上的成本降低几个数量级。” 他说，卤化物钙钛矿有潜力以多种方式胜过现有的半导体电子源。

“首先，量子效率和寿命是结合在一起的，” Mohite说。“即使是这样，这还是一个概念证明，而且是卤化物钙钛矿作为电子源的首次证明，量子效率仅比市售砷化镓光电阴极低四倍。而且我们发现卤化物钙钛矿的寿命比砷化镓。”

化学和生物分子工程以及材料科学和纳米工程学副教授莫希特说，钙钛矿光电阴极的另一个优点是可以通过旋涂法制造，这是一种易于扩大规模的低成本方法。

他说：“我们还发现，与通常需要高温退火的常规材料相比，降解的钙钛矿光电阴极很容易再生。”

研究人员测试了数十种卤化钙钛矿光电阴极，其中一些的量子效率高达2.2％。他们通过创建含有无机和有机成分的光阴极来证明他们的方法，并表明它们可以在可见光谱和紫外光谱范围内调节电子发射。

量子效率描述了光电阴极在将光转换成可用电子方面的有效性。

研究的主要作者，LANL的博士后研究员Fangze Liu说：“如果每个入射的光子都产生一个电子，并且收集到每个电子，那么量子效率将达到100％。” “当今最好的半导体光电阴极具有约10-20％的量子效率，并且全部由极其昂贵的材料通过复杂的制造工艺制成。金属有时也用作电子源，铜的量子效率非常小。 01％，但仍在使用，这是一种实用技术。”

卤化钙钛矿光电阴极的成本节省将有两种形式：用于制造它们的原材料丰富且廉价，并且制造工艺比传统半导体更简单且成本更低。

莫希特说：“迫切需要一种低成本且可扩展的产品。” “使用溶液处理的材料可以在大面积上进行涂漆，这对于制造光阴极所需的高质量半导体是完全闻所未闻的。”

“钙钛矿”的名称既指1839年在俄罗斯发现的特定矿物，也指具有该矿物晶体结构的任何化合物。卤化物钙钛矿是后者，可以通过将铅，锡和其他金属与溴化物或碘化物盐混合制成。

自2012年英国科学家使用片状晶体材料制造高效率太阳能电池以来，全世界对钙钛矿卤化物半导体的研究开始兴起。此后，其他实验室证明该材料可用于制造LED，光电探测器，水用光电化学电池-分裂和其他设备。

钙钛矿专家Mohite在2018年加入莱斯之前曾在LANL担任研究科学家，他说卤化钙钛矿光电阴极项目成功的原因之一是他在LANL的Applied Cathode Enhancement and Robustness Technologies研究小组的合作者是“最好的人之一”。世界各地的团队，探索用于光电阴极的新材料和新技术。”

光电阴极根据爱因斯坦的光电效应工作，当特定频率的光撞击自由电子时，它们会释放出来。光电阴极的量子效率通常较低的原因是，即使是最细微的缺陷（例如晶格中单个原子不正确的缺陷），也会产生捕获自由电子的“势阱”。

莫希特说：“如果有缺陷，所有的电子都会丢失。” “这需要大量时间，并且要花很多精力才能提出一种制造优质钙钛矿材料的工艺。”

Mohite和Liu使用旋转涂布技术，该技术是一种广泛使用的技术，其中将液体滴到快速旋转的磁盘上，并且离心力将液体散布在磁盘的整个表面上。在Mohite和Liu的实验中，旋涂在氩气气氛中进行以限制杂质。旋转后，将圆盘加热并置于高真空中，以将液体转化为具有清洁表面的晶体。

“经过了很多次迭代，”莫希特说。“我们试图以多种方式调整材料成分和表面处理，以达到最佳效率的正确组合，这是该项目的最大挑战。”

研究小组已经在努力提高其光电阴极的量子效率。它们的量子效率仍低于最先进的半导体，这是由于存在高表面缺陷所致。下一步的目标是，制造具有较低表面缺陷密度的高质量钙钛矿晶体。