[发明专利]图案化钙钛矿纳米晶体薄膜及制备方法和阵列式薄膜器件

说明书

本发明公开了一种图案化钙钛矿纳米晶体薄膜和器件的制备方法，其包括：a将钙钛矿纳米晶体分散在非极性溶剂中，加入极性溶剂，使钙钛矿纳米晶体沉淀分离；b将洗涤后的钙钛矿纳米晶体、光敏交联型分子与非极性溶剂混合，制备纳米晶体薄膜；c在紫外光照下对纳米晶体薄膜进行曝光，引发光致交联反应；d采用非极性溶剂对所述薄膜进行洗脱。本发明的方法利用钙钛矿纳米晶体的原始配体分子进行光交联反应获得图案化的纳米晶体薄膜，所获得的图案分辨率小于10微米，并实现了阵列式钙钛矿纳米晶体电致发光二极管(LED)的构建，是一种高效、广泛适用的钙钛矿纳米晶体图案化方法，在高分辨率LED显示与光检测器等领域具有重要应用前景。

技术领域

本发明属于光电材料技术领域，具体涉及一种图案化钙钛矿纳米晶体薄膜，特别地，还涉及该图案化钙钛矿纳米晶体薄膜的制备方法，更进一步地，本发明还涉及一种包括图案化钙钛矿纳米晶体薄膜的阵列式薄膜器件。

背景技术

基于金属卤素化合物钙钛矿材料的光电器件展现出优异的性能与应用潜力，钙钛矿材料的化学组成一般为ABX₃，代表性化合物包括CH₃NH₃PbI₃和CsPbBr₃等。钙钛矿纳米晶体是一类特殊的钙钛矿材料，其尺寸(在至少一个维度上)一般小于20纳米。钙钛矿纳米晶体具有光谱响应范围广、颜色纯度高、量子产率高、色域宽、光谱精确可调等优势，在LED、激光、太阳能电池、光检测器、类神经器件等多个重要应用领域展现出独特的优势和巨大的潜力。例如，与胶体量子点材料相比，其光学性质对表面缺陷不敏感因而易于获得高量子产率，具有强离子性从而易于通过多种溶液方法合成，晶体结构特殊并呈现出极窄的发射光谱。但是与此同时，钙钛矿材料特别是钙钛矿纳米晶体的强离子性使其在光照、高温、极性溶剂、高湿度环境下易发生分解、相变、团聚等现象。这些光、化学、相稳定性方面的问题是钙钛矿纳米晶体在走向实际应用中面临的巨大挑战。基于同样的原因，钙钛矿和钙钛矿纳米晶体难以通过常规的方式进行图案化。如何建立有效的图案化方法是钙钛矿纳米晶体应用于高分辨RGB阵列式显示器件和光检测器阵列等重要集成式光电器件的一个基础和前提。

针对钙钛矿材料(包括纳米晶体及其他形式)的不稳定性，特别是对极性溶剂等的敏感性，目前发展的钙钛矿材料图案化策略主要是从传统半导体工业或已有的有机材料的图案化方法出发并结合钙钛矿的特点进行修正。这些方法包括(1)基底模板辅助法、(2)喷墨打印法、(3)多层光刻胶与干法刻蚀结合的微加工工艺和(4)电子束刻蚀等。以上方法存在各自的缺陷，例如基底模板辅助法会依赖于特殊基底或模板，喷墨打印法存在分辨率差的问题，多层光刻胶与干法刻蚀结合的微加工工艺和电子束刻蚀等方法存在设备及工艺复杂，并且存在采用不利于钙钛矿结构与性能稳定的溶剂与化学环境的缺陷。因此，尽管以上方法可以用于形成钙钛矿图案阵列，但是此类图案不利于保持钙钛矿的原有性质，难于制备多层图案化阵列，因此不能用于阵列式发光器件等钙钛矿重要的器件应用情景。相比其他形式的钙钛矿材料，钙钛矿纳米晶体由于尺寸和溶剂问题对化学环境、溶剂和表面配体化学更加敏感，因而目前缺乏有效的图案化方法。

理想的图案化方法应能保持钙钛矿纳米晶体的原有结构、化学与光学性质。基于传统光刻胶、洗脱液、高强度激光与高能X射线、电子束等方法均在图案化的同时损害了钙钛矿纳米晶体的原有性质。例如，激光直写法中高能激光与钙钛矿纳米晶体作用过程复杂，易导致纳米晶体烧结而损害其原有性质。电子束/X射线法具有高精度的优势，但是依赖于复杂昂贵的仪器设备和严苛的工作条件，无法在普通的加工环境下实现规模化、大面积、低成本的钙钛矿纳米晶体薄膜图案化，与具有多层功能材料结构的集成式光检测器、LED等的制备工艺不兼容。更重要的是，高能射线可导致纳米晶体产生大量表面缺陷从而显著降低光致发光和电致发光效率。喷墨打印法中涉及到“墨水”成分的调配，所引入的添加剂往往会影响纳米晶体的性质，墨水与打印基底的浸润过程，如“咖啡环效应”等，也严重影响所达到的图案化精度与均一度，分辨率难以达到10微米或更小。