有機-無機雜化鈣鈦礦材料因其可調的結構和帶隙、優異的光電性質以及簡便的制造工藝，被認為是最具發展潛力的新型半導體材料之一。這類材料通常由無機金屬鹵化物骨架與有機功能分子按特定堆疊方式構成，其中無機骨架提供了載流子輸運功能，而有機分子則主要作為絕緣的間隔層，起到穩定晶體結構的作用。將電活性功能分子應用于鈣鈦礦晶體結構有望顯著提升材料的光電性質，但有機分子排列方式對電荷傳輸的影響機制尚未明晰，這對深入理解并開發高性能的鈣鈦礦材料帶來了挑戰。
圖1 鈣鈦礦中的分子有序度概念 最近，華東理工大學的侯宇教授/楊化桂教授/楊雙教授研究團隊發現分子有序度的概念可適用于低維雜化鈣鈦礦體系，能夠有效地提升電荷載流子在有機-無機組分內的運輸。通過對萘基及喹啉基分子配位位點的精確調控，設計合成了一系列分子有序度可控的新型一維鈣鈦礦半導體材料，即1-萘胺鉛碘（1-NAPbI3）、5-氨基異喹啉鉛碘（5-AIQPbI4），8-氨基異喹啉鉛碘（8-AIQPbI4）和5-氨基喹啉鉛碘（5-AQPbI4）。其中，1-NAPbI3擁有3個旋轉運動和8個旋轉狀態的最低有序度，而5-AQPbI4僅具有1個旋轉運動和2個旋轉狀態的最高有序度。 研究團隊發現，有機分子結構有序的5-AQPbI4的載流子遷移率-壽命積比無序的1-NAPbI3提升了接近一個數量級，證實了分子有序提高低維鈣鈦礦電荷輸運性能的新機制。借助空間電荷限域電流測試、飛行時間等電學表征及第一性原理計算，發現了5-AQPbI4晶體[011]取向上陽離子間具有強烈的π-π堆疊，形成了高效的電荷載流子傳輸通道，同時有序分子抑制了離子遷移行為，解耦了電荷載流子和離子的傳輸。 圖2 5-AQPbI4鈣鈦礦材料單晶的各向異性電學性能 圖3 5-AQPbI4鈣鈦礦材料單晶的各向異性離子性能 基于上述傳輸特點，研究團隊將5-AQPbI4晶體構建的[011]取向探測器件用于X射線探測應用，在5000 V cm-1的高工作電場下穩定工作，并實現了8.25×105 μC Gyair-1 cm-2的靈敏度和低至1.15 nGyair s-1的探測極限。 圖4 5-AQPbI4鈣鈦礦材料單晶的X射線探測性能 該項研究提出的分子有序性概念不僅為低維鈣鈦礦的結構調控提供了一種可行方法，隨著新型X射線探測技術對于探測材料性能要求的不斷升級，這也將為探索新型低維鈣鈦礦半導體材料、進一步協同提高鈣鈦礦材料在X射線探測應用中的性能和穩定性提供新思路。 論文信息 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
