二維半導體材料具有超輕超薄超柔的溝道、較高的遷移率等特點，是后摩爾時代微電子及光電子器件所需要的一類重要新材料。而目前發(fā)現(xiàn)的主要二維材料，包括石墨烯、過渡金屬硫化物、黑磷等，都很難同時滿足適當帶隙寬度、高遷移率、高穩(wěn)定性等關鍵要求。
相對于石墨與二硫化鉬來說，鈣鈦礦材料，尤其是全無機組分鈣鈦礦（CsPbX3，X=Cl，Br，I）具有更高的吸光能力（吸光率比有機染料高10倍）、非常大的載流子擴散長度、以及高的穩(wěn)定性等優(yōu)異性能。因此，二維無機鈣鈦礦將是柔性及可穿戴光電器件，比如光探測器，的極佳候選材料。
其問題在于：受強離子性以及立方晶相制約，超薄（單層、少層）CsPbBr3二維鈣鈦礦的大產(chǎn)率高質量實現(xiàn)仍然非常困難。
有鑒于此，南京理工大學曾海波教授團隊采用溶液化學合成方法，制備了高質量、大產(chǎn)率、單層及少層厚度的全無機鈣鈦礦CsPbBr3超薄納米片。將無機鈣鈦礦發(fā)展成具有可印刷光電器件功能的新型二維半導體。
圖1. CsPbBr3超薄納米片
圖2. CsPbBr3超薄納米片微觀結構
首先，他們采用長烷鏈表面配體，誘導晶體的定向生長，使得立方相結構的鈣鈦礦形成二維的片狀結構。所制備的納米片平均厚度為3.3 nm，直徑可達~2 μm。這些超薄納米片在空氣中穩(wěn)定，且極易分散在各種有機溶劑中，形成穩(wěn)定的高度分散的墨水，因此適合通過低成本、易操作的旋涂、滴涂、噴涂、噴墨打印等各種印刷工藝組裝大面積、無裂紋的高質量薄膜及器件。
隨后，他們發(fā)現(xiàn)CsPbBr3納米片組裝膜表現(xiàn)出優(yōu)異的光電效應以及光探測性能。所制備的光探測器件的光開關比高達104；展現(xiàn)出了非常高的響應度，光響應上升和下降時間分別為19 μs和25 μs；基于柔性襯底的納米片探測器具有高度的折疊穩(wěn)定性，能夠在持續(xù)彎曲10000次后，電流與未彎曲初始值相比波動小于3%，這對柔性、可穿戴光探測器非常重要；具有極高的環(huán)境氛圍光穩(wěn)定性，在10 mW cm?2 的激光輻照12小時后，電流的波動小于2.6%。
以上結果表明，這種全無機鈣鈦礦納米片，作為一類新型的2D半導體材料，除了有望應用于高性能柔性光探測領域，在低成本溶液工藝的超薄柔性薄膜晶體管、發(fā)光二極管、太陽能電池等光電子領域中具有廣泛的應用前景。
圖3. 可印刷的柔性二維鈣鈦礦光探測器
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