室温合成及全无机无铅Cs3Bi2X9（X = Cl, Br, I）钙钛矿纳米晶体的光电探测器性能

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Room-Temperature Synthesis and Photodetector Performance of All-Inorganic Lead-Free Cs3Bi2X9 (X = Cl, Br, I) Perovskite Nanocrystals

本研究采用室温抗溶剂结晶法制备了Cs3Bi2Br9、Cs3Bi2I9和Cs3Bi2Cl9无铅钙钛矿材料，通过XRD、Raman、XPS和FE-SEM等分析手段，系统研究了其晶体结构、表面形貌及光电性能。结果表明，Cs3Bi2Cl9具有最大的晶粒尺寸（51 nm）、最高的结晶度和最佳的光电性能，其光探测器探测率达29.6×108 Jones，响应时间快（0.21 s）且稳定性好，为下一代环保光电器件提供了新候选材料。

　　### 中文解读

在现代科技迅猛发展的背景下，光电子器件的应用日益广泛，涵盖从太阳能电池到光探测器、发光二极管（LEDs）等多个领域。然而，传统光电子材料中广泛使用的铅基钙钛矿因其毒性和化学不稳定性而受到关注。这些特性限制了它们在大规模和长期使用中的可行性，尤其是在对环境和健康有较高要求的应用场景中。因此，寻找一种环保且稳定的替代材料成为科研领域的重要课题。基于这一需求，研究者们开始探索不含铅的钙钛矿材料，尤其是无机钙钛矿，其不仅具备优异的化学稳定性，还具有较低的毒性、强光致发光能力、高量子产率以及可调的带隙特性。这些特点使得无机钙钛矿成为传统铅基钙钛矿的有力竞争者，尤其在光探测器的应用中展现出巨大的潜力。

本研究重点聚焦于一种新型无机钙钛矿材料——Cs?Bi?X?（X=Br, I, Cl），并采用一种简便的室温抗溶剂重结晶法在玻璃基底上制备了这种材料的薄膜。通过系统的结构、光学和形态分析，研究团队深入探讨了不同卤素成分对钙钛矿材料性能的影响。研究结果表明，Cs?Bi?Cl?在三种材料中表现出最佳的晶体尺寸（51 nm）和结晶性，同时其表面形态呈现出高密度和明显的孔隙，有利于光电子性能的提升。此外，光吸收边也随着卤素成分的不同而变化，从1.8 eV到3.2 eV，这使得该材料在宽波长范围内的光响应具有一定的灵活性。

在性能评估方面，研究团队还成功制备了基于Cs?Bi?X?的光探测器，并对其关键性能参数进行了系统测试。其中，以Cs?Bi?Cl?为基础的光探测器表现最为优异，其检测能力（Detectivity）达到29.6 × 10? Jones，光电响应（Photoresponsivity）为1.14 mA/W，响应时间仅为0.21秒，而衰减时间仅为0.35毫秒，内部量子效率（Internal Quantum Efficiency）为2.45 × 10?1%。这些优异的性能使得Cs?Bi?Cl?成为下一代环保型光探测器的有力候选材料。

研究的创新点在于其制备方法的简单性和环保性。采用室温抗溶剂重结晶法不仅避免了高温处理的能源消耗，还降低了生产成本，为大规模生产和实际应用提供了便利。同时，通过分析不同卤素成分对材料结构、形态和光学特性的影响，研究揭示了材料性能与其化学组成之间的关系，为未来钙钛矿材料的设计和优化提供了理论依据。

从应用角度来看，Cs?Bi?X?钙钛矿材料具有广泛的前景。其高光吸收系数和良好的热稳定性使其适用于多种光电子器件，包括但不限于光探测器、太阳能电池和光存储设备。此外，该材料的高表面活性和低缺陷密度有助于提高电荷传输效率，从而提升器件的整体性能。研究还指出，材料的光电响应性能与其卤素成分密切相关，其中氯化物（Cs?Bi?Cl?）表现出最佳的性能，这可能与其更高的结晶度和更低的缺陷密度有关。

在材料表征方面，研究团队利用多种先进手段，包括X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）和场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）等，对Cs?Bi?X?钙钛矿材料进行了全面分析。这些表征手段不仅验证了材料的晶体结构和相态，还揭示了其表面形态和化学组成。例如，XRD分析显示，Cs?Bi?Cl?具有最大的晶粒尺寸和最佳的结晶性，而拉曼光谱则确认了其具有与卤素配位相关的振动模式，表明材料结构的稳定性。

在光电子器件的性能评估中，研究团队采用了一系列测试方法，包括电流-电压（J-V）特性分析、光电响应测试以及稳定性测试。这些测试结果进一步验证了Cs?Bi?X?材料在光探测器应用中的优越性。特别是以Cs?Bi?Cl?为基础的光探测器，不仅在响应速度上表现出色，还在检测能力、光电响应和内部量子效率等方面均优于其他卤素基钙钛矿。这些性能优势使其在光电子器件领域具有广泛的应用前景。

研究还通过对比文献中已有的无铅钙钛矿材料的性能，进一步突显了Cs?Bi?Cl?在光探测器应用中的独特优势。例如，其他无铅钙钛矿材料如Cs?Cu?I?、Cs?AgBiBr?等，虽然在某些性能指标上表现良好，但在响应速度和稳定性方面仍无法与Cs?Bi?Cl?相媲美。这表明，Cs?Bi?Cl?可能成为未来光电子器件开发的优选材料。

综上所述，这项研究不仅展示了Cs?Bi?X?钙钛矿材料在光电子领域的广泛应用潜力，还为无铅钙钛矿材料的制备和性能优化提供了新的思路和方法。通过采用室温抗溶剂重结晶法，研究团队成功制备了高结晶度、低缺陷密度的Cs?Bi?X?薄膜，并进一步验证了其在光探测器中的卓越性能。这些成果为未来开发高效、稳定、环保的光电子器件奠定了坚实的理论基础和实践依据。