城大学者成功把无机钙钛矿变形而不损其功能特性

由香港城市大学（城大）学者共同领导的一支研究团队，最近成功在室温环境下把无机钙钛矿变形而又不损害其功能特性。他们的研究成果展示了这一类无机半导体拥有具大的发展潜力，在未来可应用于制造新一代的可变形电子产品和能源系统。

全无机卤化铅钙钛矿因其优秀的性能和强化了的环境稳定性，日渐成为能量转换和光电领域的重要半导体材料。

“然而，与金属材料或聚合物不同，无机半导体通常都比较脆，故难以加工。这大大限制了它们在光电产品中的应用，因为光电产品必须能够承受机械应力和应变而不丧失其功能。”共同领导这项科学研究的城大协理副校长（内地合作）及材料科学讲座教授陈福荣教授，指出了传统无机半导体的弱点所在。

为了克服这一个重大限制，陈福荣教授与城大材料科学及工程学系副系主任何颂贤教授、城大机械工程学系赵仕俊教授以及该学系的前教授、现于香港大学任职的陆洋教授携手合作，探索了全无机钙钛矿（CsPbX₃，其中X可以是Cl、Br或I离子）的可变形性。他们发现，钙钛矿在室温下可以大幅度变形，成为不同的几何形状，兼能够保持其功能特性，这是传统无机半导体里前所未见的。

在实验中，研究团队首先采用了“气-液-固”方法合成及制造出直径和宽度介乎0.4至2微米、长度介乎3至10微米的全无机卤化铅钙钛矿（CsPbX₃）单晶微柱。然后，他们用扫描电子显微镜进行了原位压缩实验。

他们发现，在压缩、即加压过程中，CsPbX₃晶格中的不全位错（partial dislocations）在多重滑移系（multiple slip system）上连续滑移。这种骨牌式的多重滑移变形机制，使到钙钛矿微柱在不断裂的情况下可变形为各种不同的形状，包括倒置的 L 形、Z 形和酒杯形。

借助原子级分辨率的“透射电子显微镜”（TEM），研究团队发现单晶微柱变形区的原子连接良好，故其功能特性未受破坏。何颂贤教授说：“我们还观察到，微柱的光电性能不受变形的影响。这证明了这种材料在可变形光电领域中的应用潜力。”

研究团队又进行了更深入的电子和结构分析，以揭示这种不寻常特性的物理起源。专门研究计算材料特性的赵仕俊教授解释了最新发现的背后原理：“变形能力的秘密在于低滑动能垒（energy barrier），确保了容易滑移，以及强大的Pb-X键保持了晶体结构的完整性，防止它在压力下裂开或出现劈裂。”他补充，CsPbX₃晶格的能带间隙（影响半导体总电性能的能量指标）在变形后仍保持不变，表明材料的电子结构未受影响。

陈福荣教授总结说：“我们的研究结果表明，全无机CsPbX₃单晶体可以在室温环境下通过多重滑移实现大幅变形，并能够很容易变形为各种形状，而不会改变其晶体完整性、晶格结构或光电特性。”

他续说：“这研究成果意味着我们在设计和制造新颖能源设备和可变形电子产品方面迈出了重要一步。透过分辨率达到原子级水平的透射电子显微镜，我们揭示了新发现背后的基本机制，这为寻找其他本质上具有靭性的半导体提供了重要的启示。”

上述研究成果已于科学期刊《自然-材料》（Nature Materials）上发表，题为 〈Multislip-enabled morphing of all-inorganic perovskites〉。

论文的第一作者是城大材料科学及工程学系博士后李晓翠博士、孟优博士和李万鹏博士。通讯作者为香港城大陈福荣教授、何颂贤教授、赵仕俊教授和香港大学陆洋教授。其他合作者包括来自香港城大和浙江大学的研究人员。

此次研究获得多方的支持，包括香港研究资助局、城大，以及国家自然科学基金及研究资助局联合科研资助基金。