有机-无机杂化钙钛矿材料因其可调的结构和带隙、优异的光电性质以及简便的制造工艺，被认为是最具发展潜力的新型半导体材料之一。这类材料通常由无机金属卤化物骨架与有机功能分子按特定堆叠方式构成，其中无机骨架提供了载流子输运功能，而有机分子则主要作为绝缘的间隔层，起到稳定晶体结构的作用。将电活性功能分子应用于钙钛矿晶体结构有望显著提升材料的光电性质，但有机分子排列方式对电荷传输的影响机制尚未明晰，这对深入理解并开发高性能的钙钛矿材料带来了挑战。
图1 钙钛矿中的分子有序度概念 最近，华东理工大学的侯宇教授/杨化桂教授/杨双教授研究团队发现分子有序度的概念可适用于低维杂化钙钛矿体系，能够有效地提升电荷载流子在有机-无机组分内的运输。通过对萘基及喹啉基分子配位位点的精确调控，设计合成了一系列分子有序度可控的新型一维钙钛矿半导体材料，即1-萘胺铅碘（1-NAPbI3）、5-氨基异喹啉铅碘（5-AIQPbI4），8-氨基异喹啉铅碘（8-AIQPbI4）和5-氨基喹啉铅碘（5-AQPbI4）。其中，1-NAPbI3拥有3个旋转运动和8个旋转状态的最低有序度，而5-AQPbI4仅具有1个旋转运动和2个旋转状态的最高有序度。 研究团队发现，有机分子结构有序的5-AQPbI4的载流子迁移率-寿命积比无序的1-NAPbI3提升了接近一个数量级，证实了分子有序提高低维钙钛矿电荷输运性能的新机制。借助空间电荷限域电流测试、飞行时间等电学表征及第一性原理计算，发现了5-AQPbI4晶体[011]取向上阳离子间具有强烈的π-π堆叠，形成了高效的电荷载流子传输通道，同时有序分子抑制了离子迁移行为，解耦了电荷载流子和离子的传输。 图2 5-AQPbI4钙钛矿材料单晶的各向异性电学性能 图3 5-AQPbI4钙钛矿材料单晶的各向异性离子性能 基于上述传输特点，研究团队将5-AQPbI4晶体构建的[011]取向探测器件用于X射线探测应用，在5000 V cm-1的高工作电场下稳定工作，并实现了8.25×105 μC Gyair-1 cm-2的灵敏度和低至1.15 nGyair s-1的探测极限。 图4 5-AQPbI4钙钛矿材料单晶的X射线探测性能 该项研究提出的分子有序性概念不仅为低维钙钛矿的结构调控提供了一种可行方法，随着新型X射线探测技术对于探测材料性能要求的不断升级，这也将为探索新型低维钙钛矿半导体材料、进一步协同提高钙钛矿材料在X射线探测应用中的性能和稳定性提供新思路。 论文信息 Molecular Ordering in Low-Dimensional Hybrid Perovskites for Improved X-Ray Detection Sihan Zeng, Xinyuan Sui, Dr. Da Liu, Dr. Yu Peng, Dr. Qing Li, Mengyao Song, Junjie Qian, Dr. Haiyang Yuan, Prof. Dr. Shuang Yang, Prof. Dr. Hua Gui Yang, Prof. Dr. Yu Hou Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202506973
