AS：用于光电应用的基于肽-钙钛矿的仿生材料
新春快乐，今天给大家分享的是Adv. Sci.上的文章“Peptide-Perovskite Based Bio-Inspired Materials for Optoelectronics Applications”
【摘要】
对易于定制和开发的环保半导体的需求日益增长，这迫使研究人员和技术人员设计具有可调半导体特性的固有生物相容性、自组装纳米结构。基于肽的仿生材料表现出各种超分子形态，并具有作为有机半导体发挥作用的潜力。这种具有内在半导体特性的生物或天然衍生肽为可持续的基于生物分子的光电子器件创造了新的机会。令人欣慰的是，卤化物钙钛矿纳米晶体正在成为具有潜在吸引力的纳米电子类似物，在这方面创造协同效应和探测基于肽钙钛矿的生物电子学至关重要。能够稳定和钝化表面缺陷的物理特性和固有的芳香短肽组装有助于改善卤化物钙钛矿器件中的电荷传输。本综述阐明了如何开发这些肽-钙钛矿纳米组装体用于生物医学和医疗保健应用的光学传感、光电子学和成像。讨论了肽中的电荷转移机制以及钙钛矿和短肽链之间的电子转移机制，这对于促进它们进入分子电子学至关重要。还介绍了钙钛矿肽领域的未来发展、当前挑战和研究方向。
【结论】
我们深入研究了生物相容性短肽在卤化物钙钛矿（块体和纳米晶体）领域的应用，包括太阳能电池、发光二极管和传感应用，包括自组装特性和固有光电特性。自组装中固有的能量转移机制赋予肽半导体特性，也导致肽及其自组装的 PLQY 值升高。结构多样性，包括 𝜋𝜋 芳香共轭部分、氢键和环状排列，使发光自组装具有更高的 PLQY 值。我们阐明了肽自组装中的电子转移机制，其中包括长度依赖性电子隧穿和结构依赖性电子跳跃途径。在较长的肽中，电荷传输通过电子跳跃发生，而在较短的肽链中，它通过电子隧穿发生。具有胺基和羧基末端的肽的双齿配体特性可通过钝化阳离子和阴离子缺陷位点而充当可能的表面封端配体。通过配体辅助再沉淀 (LARP) 技术用肽封端配体合成的钙钛矿纳米晶体表现出高 PLQY 和增强的胶体稳定性。除了胺基和羧基末端之外，使用巯基进行额外的功能化表明多功能化肽可以更有效地钝化缺陷，从而提高胶体稳定性。除了探索钙钛矿纳米晶体的 LED 应用外，短肽还确定了低带隙卤化物钙钛矿在钙钛矿太阳能电池中的应用前景。在这种情况下，具有一个或两个氨基酸链（包含胺基和羧基）的短肽通过稳定钙钛矿相、修复缺陷和调节形状表现出改进的光伏性能。器件中短肽和卤化物钙钛矿的相互作用可以通过三种不同的方式进行：添加、钙钛矿-空穴传输层 (HTL) 界面钝化和电子传输层 (ETL)-钙钛矿界面钝化。短肽添加可减轻电子缺陷并最大限度地减少 VOC 缺陷，而钙钛矿表面的钝化可增强疏水性。 肽对钙钛矿界面的钝化有助于钙钛矿层和电荷传输层之间的有效电荷转移。
尽管肽在光电器件中取得了成就并具有巨大潜力，但肽-钙钛矿组合目前仍面临一些挑战。首先，肽-钙钛矿纳米晶体研究主要集中在 LARP 合成方法上，而复杂的热注射技术的前景仍未得到检验。其次，由于缺乏对肽和钙钛矿之间电荷转移机制之间潜在竞争的了解，对肽的合理设计和选择提出了挑战，导致只能从广泛的短肽库中检查有限的子集。第三，钙钛矿中的铅毒性可能会抑制肽-钙钛矿系统的生物相容性。
生物相容性、固有的半导体特性以及从可见光到近红外的广泛发射光谱使得这些超分子结构可以在光电子学和体内生物成像应用中进行研究，从而为生物电子学领域开辟了一条新途径。此外，还需要探索 Fmoc 和 tBoc 作为保护功能团（另一个使 𝛼-氨基端功能化的功能团）。这些自组装体是否适用于多种设备应用以及钙钛矿纳米晶体是否集成到生物设备中需要进一步研究。除了在卤化物钙钛矿块体和纳米晶体系统中利用短肽功能外，揭示钙钛矿-肽系统内部的机制也至关重要。基于色氨酸 (W) 的芳香肽自组装平台具有高机械刚度和固有光电特性，可适用于太阳能电池、场效应晶体管和生物电子应用。定向方法对于创建合理的肽至关重要，这些肽可以克服现有对针对特定环境条件的自组装纳米纤维结构调节的限制，从而提高生物电子性能。研究独特的自组装特性短小的定制肽与半导体无铅钙钛矿的结合对于取得实质性进展至关重要，其中金属离子（例如 Sn2+、Ge2+）的结合和配位至关重要。了解大量可能的组合需要使用机器学习和人工智能功能。仍然存在一些障碍，以确保肽自组装作为半导体的安全和广泛应用，包括阐明纳米结构-性质关系、破译控制物理化学性质的分子机制以及调节半导体以促进从科学研究到工业应用的转变。”
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原文DOI：10.1002/advs.202408919
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