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卤化物钙钛矿材料与器件的先进透射电子显微表征研究进展

2022-04-28

 

近十余年来,卤化物钙钛矿以其优异的光电性能获得广泛关注并应用于光伏和光电器件,是能源材料领域具有重要战略意义一种关键材料。其突出的光电性能与其独特的晶体结构和微观结构密切相关,因此,通过微结构研究揭示其性能与结构之间的关系、从而进一步指导设计高效稳定的材料与器件具有重要意义。透射电子显微镜(TEM)是研究材料微结构最直接的表征技术之一,能够在纳米到原子尺度对材料微结构进行成像与分析。然而,卤化物钙钛矿因其特殊的结构,对电子束辐照极其敏感,在透射电镜中极易被电子束辐照损伤,是TEM表征领域公认的难点、痛点,对该材料的微结构研究也因此受到极大限制。

有鉴于此,北京工业大学隋曼龄教授、柯小行副教授团队对近年来卤化物钙钛矿的透射电镜(TEM)表征进展发表了综述。首先针对常规成像条件下电子束与钙钛矿的相互作用进行了讨论,并对可能造成的辐照损伤进行了总结。然后重点讨论低剂量TEM成像的工作进展:利用极低剂量的电子衍射揭示卤化物钙钛矿材料的电子束辐照损伤机理,并提出先进的TEM表征手段(如直接电子探测器、iDPC、冷冻电镜)在原子分辨率成像中的应用,结合卤化物钙钛矿材料与器件发展的关键问题讨论了先进TEM在原子分辨率成像、缺陷识别、界面表征等方面的进展。最后,总结原位透射电镜通过加热、施加偏压、湿度气氛等手段揭示卤化物钙钛矿材料的环境稳定性及降解机理的工作进展。

该综述特别总结了文献中报道的不同钙钛矿材料的成像剂量,并通过数据分析提出了对应的安全成像剂量范围和需要避免的损伤剂量范围(图2),以期为该领域的研究工作提供一定的参考。

虽然卤化物钙钛矿材料对电子束辐照敏感,但近年来的TEM研究不但揭示了该材料的辐照损伤机理,更发展了多种低剂量成像的手段与方法,深入理解卤化物钙钛矿材料的结构-性能关系,并将持续助力卤化物钙钛矿材料与器件的研究。

该文章以题为“Recent progress on advanced transmission electron microscopy characterization for halide perovskite semiconductors”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. 卤化物钙钛矿的先进TEM表征示意图。

图2. 文献报道的不同钙钛矿材料的电子束辐照剂量和损伤剂量的总结示意图。同类卤化物钙钛矿材料由每一栏的同种颜色代表,并通过颜色深浅度表示相对安全的成像剂量范围与易受损伤的电子束剂量范围。一般来说,二维钙钛矿材料(2D PVSK)的成像剂量建议在50 e/(?2s)以下,有机杂化卤化物钙钛矿MAPbI3/ MAPbBr3的成像剂量建议在~100 e/(?2s)以下,而纯无机CsPbBr3的耐受剂量可达1000 e/(?2s)以上。

Recent progress on advanced transmission electron microscopy characterization for halide perovskite semiconductors

Xiaomei Wu, Xiaoxing Ke, Manling Sui

J. Semicond. 2022, 43(4): 041106

doi: 10.1088/1674-4926/43/4/041106

Full Text: http://www.jos.ac.cn/en/article/doi/10.1088/1674-4926/43/4/041106

来源:半导体学报2022年第4期—半导体材料与器件的原位表征专题



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