[发明专利]一种锑基杂化半导体材料及其合成与应用

说明书

一种基于库仑相互作用力的非铅杂化半导体材料及其合成与光电应用。本发明的目的在于以库仑作用为主要作用力构筑一种锑基无机‑有机杂化钙钛矿型半导体材料，拓宽杂化半导体材料的构筑策略。通过选择氯化锑和苯基吡啶为反应原料，在溶剂热条件下一步反应获得杂化物(3‑phenylpyridin‑1‑ium)SbI₄的晶态产物，合成方法简单，思路新颖。结构中无机阴离子链和有机阳离子间无共价键，氢键等，只存在库伦相互作用。该杂化物具有优良的半导体性能，能在可见光的照射下表现出增强的导电性，且具有良好的光电导循环性和响应速率；可利用其特性用于光电转换，紫外及可见区的光探测应用。

技术领域

本发明涉及一种非铅钙钛矿无机-有机杂化半导体材料，特别是涉及一种锑基无机-有机杂化材料(3-phenylpyridin-1-ium)SbI₄的合成及应用。

背景技术

由于具有突出的光伏性能、原料价格低廉和方便成膜的优势，铅基钙钛矿杂化半导体材料吸引了广泛的研究关注，然而铅的毒性问题已经成为制约此类材料广泛使用的最大障碍。除了其一般毒性，铅的神经毒性也引起了科学家的重点关注。世界卫生组织（WHO）已经明确规定儿童血液中铅的最大含量不能超过5 μg L^-1，因此对于铅基杂化半导体材料而言，通过环境评估用于太阳能光伏产业领域将变的异常艰难。因此，众多的研究者开始探索新型的杂化半导体材料，希望这类新型的材料既拥有铅基材料优异的光伏性能，但又不含有毒性元素Pb。在此领域的研究中，第V主族元素Sb(III)，Bi(III)因含有和Pb(II)相同的价电子层构型和相近的ns²惰性电子对效应，因此期望具有和铅基材料相媲美的光电性能，是铅基光电材料最具潜力的的替代者。

此类杂化半导体材料一般由无机阴离子与有机阳离子通过多种相互作用自组装在一起而形成。从晶体工程的角度，有机组分与无机组分间有两种相互作用可以用于形成晶态钙钛矿型杂化半导体材料：1）“硬相互作用”，主要包括有机抗衡离子与无机组分金属中心间的配位键；2）“软相互作用”，包括氢键、卤键、范德华相互作用和氢键相互作用。由于不仅能极大地扩充晶态材料的构筑策略，而且构筑的材料可具有特殊的性能，如外界刺激引起的结构转变，软相互作用构建策略在探索合成非铅杂化半导体领域具有极大的吸引力。然而，与其它三种软相互作用相比，库仑相互作用由于具有较弱的能量和没有方向性等特点，很少的被报道用于晶态杂化半导体材料的合成研究中。迄今为止，也没有仅依赖库仑相互作用构筑的锑基杂化半导体材料的研究报道。

发明内容

本发明的目的在于以库仑力为有机和无机组分间唯一作用力构筑一种锑基无机-有机杂化钙钛矿半导体材料(3-phenylpyridin-1-ium)SbI₄，该材料用于光电转换和光电探测领域的使用。

本发明包括如下技术方案：

1. 一种锑基无机-有机杂化半导体材料(3-phenylpyridin-1-ium)SbI₄，其特征在于：该化合物为单斜晶系，结晶于空间群C2/c，单胞参数为a = 12.72(2) Å, b = 18.64(2) Å,c = 7.67(2) Å,α= γ = 90 º, β = 93.1 º。材料外观为橙色柱状晶体，其分子结构由无机(SbI₄)^–一维链和有机抗衡阳离子3-phenylpyridin-1-ium组成。其中无机(SbI₄)^–链由(SbI₆)八面体通过共边连接形成，它与有机抗衡阳离子3-phenylpyridin-1-ium间无共价键连接，也无明显氢键、卤键和范德华等弱作用，只存在库仑相互作用，堆积成三维结构。