國 際 著 名 學 術 期 刊《Nature》 以 Accelerated Article Preview（加速預覽）的形式在線刊發了吉林大學物理學院凝聚態物理系王寧教授課題組在無鉛鈣鈦礦物性調控方面重要進展的研究論文：“TautomericMixture Coordination Enables Efficient Lead-Free Perovskite LEDs”。
該論文創造性地提出并發展了一種適宜于穩定無鉛錫基鈣鈦礦的普適性策略：通過互變異構體混合物與鈣鈦礦的配位，誘導準二維無鉛錫基鈣鈦礦中二價錫的電子局域化，并自發的在錫基鈣鈦礦表面形成準垂直、穩定的 H 鍵互變異構二聚體和三聚體超結構，避免了安德森局域化導致的不利影響。這一策略有效提高了無鉛錫鈣鈦礦晶體結構的有序性，并將其非輻射復合系數降低了兩個數量級，同時激子的束縛能提高了兩倍。此外，該調控策略也被成功應用于其它三維及準二維的無鉛錫基鈣鈦礦中，其光電特性均得到了大幅提高。
研究背景
鈣鈦礦最初是指通式為 ABO3 且具有八面體結構的一類氧化物。在眾多的鈣鈦礦中，鉛（Pb）基鹵化物鈣鈦礦（通式為 APbX3，其中 A 為一價的陽離子，X 為鹵素離子）由于具有連續可調的帶隙、長的載流子擴散長度、高的熒光量子產率、低廉的成本和可溶液加工等優點，其在第三代薄膜太陽電池、新型顯示與照明、高靈敏度的超高時空分辨輻射探測器、信息技術等領域展現出巨大的商業化前景。
盡管如此，鉛基鹵化物鈣鈦礦光電器件的商業化前景也面臨著 Pb 元素的生物及環境兼容性問題。水溶性的鉛基鹵化物鈣鈦礦可降解成二價 Pb 化合物和單質 Pb。重金屬Pb 無論是對環境還是對人體都可造成不可逆的傷害，尤其是在人易接觸的照明和顯示領域，鉛的使用應該是被嚴格限制的。雖然通過各種封裝技術或減少鉛的使用量可在一定程度上降低鉛泄漏的風險，但徹底摒棄 Pb 在金屬鹵化物鈣鈦礦中的使用才是最佳的科學解決之道。因此，探索和開發穩定、高效的無鉛鈣鈦礦已成為當前鈣鈦礦領域的前沿研究熱點。
關鍵的科學挑戰
由于錫（Sn）與 Pb 同主族，且具有與鉛相似的離子半徑和價電子排布，錫基鹵化物鈣鈦礦中二價 Sn(II) 的分解產物為 SnO2，被認為是生物安全的，因此錫被認為是取代鉛的最理想元素之一。盡管如此，目前報道的錫基鈣鈦礦發光二極管（PeLEDs）的性能仍遠落后于鉛基 PeLEDs。Sn-PeLEDs 性能難以大幅提高的一個關鍵因素在于 Sn(II)的穩定性較差，這主要是由于 Sn(II) 的 5s2 軌道電子更加離域，容易失去 5s2 電子而被氧化成四價的 Sn(IV)。因而，如何在 Pb 基鹵化物鈣鈦中完全取代 Pb 并獲得與鉛基PeLEDs 性能相媲美的無鉛 PeLEDs 器件已成為當前該領域的一項關鍵的科學挑戰。
目前已報道的改善 Sn-PeLEDs 器件性能的策略主要是通過引入 Sn 補償劑和還原劑等來緩解 Sn(II) 的氧化。通常，Sn(II) 被氧化成 Sn(IV) 后會在鈣鈦礦材料中產生Sn(II) 空位，并導致嚴重的 P 型自摻雜。Sn(IV) 和殘留的試劑會嚴重影響鈣鈦礦晶體的生長特性，增加晶體的無序度，而晶體無序度的增加會造成安德森局域化現象的發生，進而影響載流子輸運，極大地限制器件性能的提升。因此，上述的難題急需更加深入的理解錫基鈣鈦礦的穩定性本質，并從科學的角度探尋解決問題的有效途徑。
解決思路
基于此，王寧教授等人從一個新的角度出發（Sn 的核外電子排列角度），考慮到 Sn(II) 易氧化成 Sn(IV) 的本質是由于 Sn 原子核對最外層 5s2 軌道上的電子束縛能力減弱，導致 5s2 軌道上的電子容易失去。因此提出設想，是否能通過構建某種與 Sn(II) 的強配位鍵來抑制其 5s2 孤對電子的離域，進而達到從根本上解決 Sn(II) 不穩定性的目的？
基于此設想，研究團隊開始探索和篩選可能的候選目標用于與 Sn 構成強配位，并對候選目標提出如下三點科學考量：一、它最好是酸性的，因為酸性條件下 Sn(II) 更加穩定；二、它應該有大量的孤對電子，確保能與 Sn 的 5s2 軌道上的電子形成相互作用，實現電子的局域化；三、它具有多種功能基團，并且結構高度對稱，使分子能在任意角度都與 Sn(II) 發生交互作用。最終，從眾多候選對象中成功遴選出了三聚氰酸（CA）。在將 CA 引入到 TEA2SnI4 無鉛鈣鈦礦的實驗過程中，團隊首次發現了互變異構混合物配位誘導的電子局域化現象。隨后，結合理論計算、模擬與系列實驗證實了這種互變異構體混合配位策略的有效性及普適性。
重要的科學發現
1. 新的作用機制。
為探究 CA 與 TEA2SnI4 鈣鈦礦之間的相互作用，研究團隊首先采用分子動力學（AIMD）明晰了CA 在 TEA2SnI4 鈣鈦礦表面的具體構型。研究發現，無論將 CA 以何種角度與鈣鈦礦相互作用，最終 CA都能自發的在鈣鈦礦表面形成準垂直、高度穩定的H 鍵互變異構二聚體和三聚體超結構。這種超結構可以放大電子效應，不僅能使與 CA 配位的 Sn 原子周圍的電子局域化，甚至還能延伸到不與 CA 形成強配位鍵的其他相鄰的 Sn 原子上。
2.CA 的獨特功能性。
與傳統的單一官能團試劑不同，CA 除了具有抗氧化作用之外，還具有其它諸多效力。首先，CA 互變異構混合物形成的二聚體和三聚體超結構可以鈍化薄膜表面缺陷；其次，CA 的多官能團特性使得其在形成二聚體 / 三聚體之后，仍然有多余的官能團可以與鈣鈦礦配位，起到穩定晶界的作用，從而顯著提高 Sn 基鈣鈦礦的晶體穩定性；最后，CA 互變異構混合物配位能誘導 Sn 周圍電子局域，這有助于獲得更穩定、有序地鈣鈦礦晶格，從而弱化安德森局域化的不利影響，使得優化后的 TEA2SnI4 薄膜的非輻射復合系數降低兩個數量級，激子束縛能提高兩倍。
圖1.CA與錫基鈣鈦礦的具體構型及CA互變異構體誘導電子局域示意圖
3. 該策略的有效性和普適性
基于 CA 的無鉛 PeLED 峰值外量子效率達到了 20.29%，該效率可與鉛基 PeLED 相媲美，且器件的工作壽命 T50（發光強度下降到初始亮度的 50%）達到了 27.6 小時。此外，研究團隊也成功地將 CA 應用于其它準二維（PEA2SnI4）和三維（CsSnBr3/CsSnBr2.5I0.5）無鉛錫基鈣鈦礦體系中。將 CA 引入到上述錫基鈣鈦礦體系后，鈣鈦礦晶體穩定性和相應薄膜、器件的光電性能均得到有效提升。基于準二維 PEA2SnI4 和三維 CsSnI3 體系的分子動力學模擬結果證實，CA 在上述兩種體系的錫基鈣鈦礦的表面均能形成準垂直的三聚體超結構。對比 CA 在不同體系鈣鈦礦表面形成氫鍵的數量，從高到低為 TEA2SnI4=> CsSnI3=> PEA2SnI4。此外，團隊還采用與 CA 結構相似但不存在互變異構體的苯酚和三聚氰胺分子來代替 CA，從另一個角度證實了該工作所提出策略的獨特性。
結論與展望
該工作所報道的策略從全新的角度出發，將多功能的 CA 引入到無鉛錫基鈣鈦礦體系中并有效解決了錫基鈣鈦礦穩定性差且Sn-PeLED 效率低的科學難題。該策略的報道有望為未來高效、穩定的無鉛錫基鈣鈦礦光電器件提供一種新的技術路線和新的科學借鑒，并大力推動無鉛鈣鈦礦光電器件的發展與商業化進程。
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