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显微分光光度计在钙钛矿研究中的应用——CRAIC

显微分光光度计在钙钛矿研究中的应用——CRAIC

  • 分类:应用介绍
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  • 来源:
  • 发布时间:2024-06-19 15:01
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显微分光光度计在钙钛矿研究中的应用——CRAIC

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介绍

 

钙钛矿是一种钛氧化钙(CaTiO)矿物。其独特的晶体结构由公式ABX描述,其中“A”和“B”是不同大小的阳离子,而“X”是与两者结合的阴离子。这种结构提供了巨大的组成多功能性,使可调谐的光电特性。钙钛矿材料提供高效的电荷传输和强大的光吸收,对太阳能工业至关重要。单结钙钛矿太阳能电池的功率效率已超过25%,而实验室的效率已接近肖克利-奎瑟的极限。这些令人兴奋的发展与钙钛矿材料也支持可调带隙以优化特定波长,并显示出高缺陷容忍度,简化制造和降低成本相一致。实现这一巨大的潜力需要彻底的材料表征和可靠的在线质量保证和控制。为了进一步了解和开发钙钛矿材料,先进的表征技术是必要的,许多工具被用来实现这些目标,显微光谱法则是一个突出的方法。它提供了一种独特的能力,可以在微观水平上分析钙钛矿材料,为了解其光学特性、空间变化、降解机制、薄膜厚度等提供了有价值的见解。 CRAIC已经在钙钛矿材料的详细分析中证明了其紫外-可见-近红外显微分光光度计的有效性,为其在微尺度上的光学和电子特性提供了见解。

紫外-见-近红外显微分光光度计概述

紫外-可见-近红外显微分光光度计,是研究钙钛矿材料的一种强大而通用的工具。它提供了对钙钛矿的光学特性、空间变化、降解机制和薄膜厚度的详细见解,所有这些都对推进高性能光电器件的发展至关重要。通过利用显微光谱学的能力,研究人员可以解决与钙钛矿材料相关的挑战,并释放其在各种技术应用中的全部潜力。

紫外-可见-近红外显微分光光度计结合了紫外-可见光谱学和高分辨率显微镜的原理。这种技术允许在微观空间分辨率下对材料光谱范围(紫外到近红外)进行分析。CRAIC的显微光谱系统配备了先进的光学和探测器,能够在亚微米尺度上精准测量吸光度、反射率和光致发光光谱。

 

最近钙钛矿研究的关键发现

最近利用CRAIC的紫外-可见-近红外显微分光光度计进行的研究在钙钛矿的表征方面取得了重要的发现:

1.   增强的光学吸收和反射率映射:

  研究人员利用这种技术绘制了钙钛矿薄膜、单晶和纳米结构的光学吸收图

2.   柔性光电器件的开发

  以超薄单晶钙钛矿薄膜为活性层的柔性器件的稳态光学表征有助于展示一种高性能的柔性光电探测器¹

3.   稳定型红外光电探测器的研制

  钙钙钛矿在开发廉价的红外(IR)光电探测器方面显示出了前景。然而,它们在长时间的红外暴露下会降解。开发了新型稳定的红外光电探测器,并采用吸光度显微光谱法进行了表征²

4.   钙钛矿光学发射工程

  金属卤化物钙钛矿量子点具有优异的光致发光性能。本文设计了可调发光特性,并利用偏振反射显微光谱技术对样品进行了表征³

5.   构建近红外纳米激光器

  近红外纳米激光器正在被开发用于光电电路。采用紫外-可见-近红外显微分光光度计测定了新型波长可调平面纳米材料的吸收光谱

6.   创建二维半导体

  利用反射率和透射显微光谱对新系列二维锡钙钛矿晶体的光电特性进行了表征,以确定了吸收光谱与波长的关系

CRAIC显微光谱系统的优势

高空间分辨率: 能够详细地测绘和分析钙钛矿样品中的微观特征

广谱范围: 覆盖紫外到近红外区域,提供全面的光学表征

在同一位置上的多种测量技术: 吸光度、反射率和发射光谱都可以在同一点上获得,从而可以直接比较结果

可以得到表面的映射: 吸光度、反射率、发射光谱以及薄膜厚度图

无损分析: 在测量过程中保持精密钙钛矿材料的完整性

多功能性: 适用于广泛的钙钛矿材料和设备结构

 

表征光学特性

该技术使研究人员能够在微观尺度上测量钙钛矿薄膜和纳米晶体的吸收、透射、反射和发射光谱。了解这些光学特性对于优化钙钛矿基光电器件的性能至关重要。例如,吸收光谱提供了关于带隙和电子跃迁的信息,这对提高钙钛矿太阳能电池的效率至关重要。类似地,发射光谱对于开发高性能钙钛矿基发光二极管(led)也至关重要。

映射空间变化

显微光谱学的一个显著优势是它能够以微米尺度的空间分辨率绘制光谱特征。这种能力对于研究钙钛矿材料中的成分、结晶度和缺陷的空间变化尤为重要。空间的不均匀性会深刻地影响钙钛矿的光电特性,从而影响其在器件中的性能。例如,组成的变化会导致不均匀的光吸收和发射,而结晶度的差异会影响电荷的输运性质。通过绘制这些变化的图谱,研究人员可以识别和减轻缺陷,从而开发出更高效和可靠的钙钛矿设备。

 

降解和稳定性分析

钙钛矿材料以其对水分、氧和热等环境因素的敏感性而闻名,这些因素会导致降解和不稳定。显微光谱技术是监测钙钛矿材料在不同环境条件下的光学性质变化的关键。通过研究这些性质是如何演变的,研究人员可以深入了解其降解机制,并设计策略来提高钙钛矿材料的稳定性。例如,随着时间的推移,监测吸收光谱可以揭示降解产物的形成,而发射光谱的变化可以表明环境应激导致的发光效率的损失。

 

薄膜厚度测量

薄膜厚度的精确测量对于优化钙钛矿基器件的性能至关重要,因为薄膜厚度会显著影响该材料的光学和电子性能。显微光谱学可以通过分析光谱中的干涉图案来精确测量钙钛矿薄膜的厚度。这些信息对于设计具有最佳层厚度的设备以获得最佳性能至关重要。例如,在太阳能电池中,必须优化钙钛矿层的厚度,以最大限度地吸收光,同时确保有效的电荷传输。

 

现场和操作研究

将显微光谱学与其他技术相结合,如环境室或电化学细胞,使钙钛矿材料的原位和操作性研究成为可能。这些研究对于理解钙钛矿材料在设备运行过程中或在不同环境条件下发生的动态过程至关重要。例如,原位显微光谱学可用于监测钙钛矿太阳能电池制造过程中光学特性的演变,为工艺优化提供实时反馈。另一方面,Operando研究允许研究人员观察材料性能的变化,为现实条件下的性能和稳定性提供见解。

结论

CRAIC紫外-可见-近红外显微分光光度计已被证明是钙钛矿材料高级表征的有力工具。在微尺度上进行详细光学分析的能力增强了对这些材料特性的理解,推动了基于钙钛矿的技术的进一步创新。研究人员和开发人员可以利用这种技术来优化材料质量,提高器件性能,并加快钙钛矿光电子技术的商业化。

参考资料:

1 Jing, Hao, Ruwen Peng, Ren-Min Ma, Jie He, Yi Zhou, Zhenqian Yang, Cheng-Yao Li et al. "Flexible ultrathin single-crystalline perovskite photodetector." Nano letters 20, no. 10 (2020): 7144-7151.
2 Kim, Min‐Woo, Yihang Yuan, Sehee Jeong, Jenny Chong, Håvard Mølnås, Aida Alaei, Iver J. Cleveland et al. "Electrospun Tri‐Cation Perovskite Nanofibers for Infrared Photodetection." Advanced Functional Materials 32, no. 45 (2022): 2207326.
3 Csányi, Evelin, Yan Liu, Soroosh Daqiqeh Rezaei, Henry Yit Loong Lee, Febiana Tjiptoharsono, Zackaria Mahfoud, Sergey Gorelik et al. "Engineering Perovskite Emissions via Optical Quasi-Bound-States-in-the-Continuum." arXiv preprint arXiv:2306.14229 (2023).
4 Zhang, Qing, Son Tung Ha, Xinfeng Liu, Tze Chien Sum, and Qihua Xiong. "Room-temperature near-infrared high-Q perovskite whispering-gallery planar nanolasers." Nano letters 14, no. 10 (2014): 5995-6001.

5 Li, Yahui, Hongzhi Zhou, Ming Xia, Hongzhi Shen, Tianyu Wang, Haikuo Gao, Xin Sheng et al. "Phase-pure 2D tin halide perovskite thin flakes for stable lasing." Science Advances 9, no. 32 (2023): eadh0517.

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