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AM：第三种三维铅/锡卤钙钛矿铁电体诞生

2021-05-02 11:52:16 作者：互联网

以(CH3NH3)PbI3为代表的三维有机-无机杂化铅/锡卤钙钛矿材料因其功能多样性和在光电应用领域的广阔发展前景（光电转换效率高达25.5%）而备受关注。著名的(CH3NH3)PbI3的优异光伏性能就被认为可能受益于其铁电极化。近些年来，尽管科学家们为扩展三维杂化钙钛矿家族做出了巨大努力，但收效甚微，A位点仅限于甲铵或甲脒阳离子。世界上还未发现第三种可构筑有机-无机杂化三维铅/锡卤钙钛矿的阳离子。东南大学张含悦博士等人在其团队所建立的“铁电化学”学科基础上，利用“动量匹配”理论推论：P元素与N元素位列元素周期表的同一主族（第VA族），具有相类似的价键性质；因此，甲膦阳离子可能与甲铵阳离子具有相类似的性质。据悉，由甲铵和甲脒阳离子构筑的三维铅/锡卤钙钛矿材料在室温均无铁电性，而我们领先开发的有机-无机杂化三维钙钛矿(CH3PH3)SnBr3却是一例性能优异的高温铁电体（相变温度为357 K）。用甲膦阳离子替换甲铵阳离子，成功实现了铁电相变温度从低温向高温的转变，这是由于甲膦阳离子相较甲铵具有更大的体积和更重的质量，提升的旋转能垒可显著提高相变温度。

该工作还具有不可估量的启发性，可为今后诸多领域（如分子铁电、光伏器件等）的工作开展起到抛砖引玉的作用。近来的实验也证实了先前的预言：新设计的三维有机-无机杂化钙钛矿铁电体(CH3PH3)SnI3具有与(CH3NH3)PbI3相类似的物理性质；不止于此，(CH3PH3)SnI3表现出更为优异的铁电、半导体特性（Eg = 1.43 eV）和光电性能（当前在无添加剂条件下，光电转换效率为2.2%），而其甲铵/甲脒类似物在同等条件下的光电转换效率远不及此。这是第三种具有铁电性的有机-无机杂化三维铅/锡卤钙钛矿光伏材料。研究者相信，这一开创性的进展成功佐证了铁电化学势必将在今后推动化学催化、材料设计、器件应用和手性拆分等诸多领域的发展，成功实现从“化学服务铁电设计”到“铁电辅助化学设计”的重大转型。相关结果发表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202005213）上。相关工作得到了国家自然科学基金重大项目的资助。