近年来, 有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿因其出色的光电性能成为最具吸引力的半导体材料之一, 通过将“手性”分子引入到金属卤化物钙钛矿晶体材料中就可以得到“手性金属卤化物钙钛矿”. 手性金属卤化物钙钛矿结合了钙钛矿的优良光电性质和手性特征, 故产生了圆二色性(CD)、圆偏振发光(CPL)、非线性光学(NLO)、自旋电子学、铁电性和手性诱导自旋选择性(CISS)效应等独特光电功能的可能性, 在光电子学、光学材料、光伏材料和自旋电子学等领域具有广阔的应用前景. 本文综述了近年来手性金属卤化物钙钛矿的研究发展情况, 如制备方法、晶体结构、手性产生机理、圆偏振发光和圆偏振光检测等; 此外, 总结了该类材料发展过程中所面临的挑战并展望了其发展前景. 这对了解手性金属卤化物钙钛矿的光电性质和构建策略具有重要的理论意义, 并为开发设计新型的手性金属卤化物钙钛矿提供了思路.
手性是指物体或分子的对映异构体具有镜像对称性, 但不能通过旋转或平移重合, 即一个物体或分子与其镜像不可重合的性质. 从微观的原子、分子到宏观的星系尺度, 各种层次都有手性结构的存在. 手性在化学、生物学、物理学等领域具有深远的影响和广泛的应用. 在化学中, 手性异构体在化学性质上通常表现出不同的活性或反应性, 这在制药、农药、食品添加剂等领域具有重要意义. 在生物学中, 很多生物分子如有些葡萄糖、氨基酸和核酸都存在手性异构体. 生物体的手性选择性对于生化过程的进行至关重要. 例如, 手性葡萄糖是生命所需的能量来源, 而其对映异构体却无法被生物体利用. 在物理学中, 手性与光学和电学等领域息息相关. 例如, 在光学中, 手性材料对不同偏振方向的光具有不同的响应, 这在制造偏振镜、偏振片和光学隔离器等器件中有潜在应用. 近年来, 手性材料吸引了广泛的关注并得到了长足的发展, 手性结构的引入使其显示出了如圆二色性(circular dichroism, CD)、圆偏振发光(circularly polarized luminescence, CPL)、非线性光学(nonlinear optics, NLO)、电子自旋、铁电性和手性诱导自旋选择性(chiral induced spin selectivity, CISS)效应等光电特性. 因此, 开发新型的手性材料具有重要意义.
有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿材料凭借其独特的结构和优异的光电性能备受关注, 其中, 在光伏领域的钙钛矿太阳能电池发展迅速, 光电转换效率随着研究的深入正在日益提高. 此外, 其在光电探测、LED器件和固态照明]等领域也扮演着重要的角色. 将手性有机阳离子引入到金属卤化物钙钛矿晶体结构中可以构建手性金属卤化物钙钛矿材料, 该类材料可将钙钛矿出色的光电性能与有机组分的手性特征相结合. 手性金属卤化物钙钛矿在光电子器件、光学传感器、电子自旋和光催化等领域具有重要的应用前景. 并且, 利用手性结构和晶体取向可以调控其光学性质, 如光学吸收、发光和光学旋光等. 2003年, Billing等将手性有机胺引入到了金属卤化物钙钛矿结构中合成了一种手性一维钙钛矿单晶, 并在2006年合成了手性二维钙钛矿单晶. 直到2017年, Moon等才对手性金属卤化物钙钛矿的手性特征进行了首次报道. 此后, 手性金属卤化物钙钛矿领域的研究迅猛发展, 涌现出越来越多的创新工作. 在此, 本文系统综述了近年来手性金属卤化物钙钛矿的研究进展, 包括其合成方法、晶体结构、手性产生机理和圆偏振发光及其检测等方面的研究, 这不仅有助于对手性金属卤化物钙钛矿材料的基本性质进行深入理解, 而且对设计开发新型具有优越性能的手性卤化物钙钛矿晶体具有一定的指导意义. 最后, 本文对手性金属卤化物钙钛矿材料发展研究过程中存在的问题和挑战进行了总结概括, 并对其未来的发展前景进行了展望.
本文收录于2024年第8期“手性发光材料专刊”.
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丛莉, 崔彬彬*. 手性金属卤化物钙钛矿的设计合成及其圆偏振发光研究进展. 中国科学:化学, 2024, 54(8): 1194-1211
