卤化物

目前，美国能源部有关金属卤化物灯的最低能源效率标准(MEPS)要求和测试程序要求还正在制定当中。金属卤化物灯的能效要求主要体现在能源之星规范中。　　有关金属卤化物灯的能源之星规范主要是2011年7月5日发布的灯具能源之星规范V1.1版。该规范取代了原来4.2版的住宅照明设备和1.3版的固态照明灯具的能源之星规范，并于2011年4月1日开始生效。　　根据灯具能源之星规范V1.1版的规定，金属卤化物灯在2013年9月1日之前，每个灯-镇流器系统的初始光效应大于等于65 lm/W，2013年9月1日后，每个灯-镇流器系统的初始光效应大于等于70 lm/W。同时，每个灯-镇流器系统应能提供最小800 lm的初始光输出。　　金属卤化物灯的光效和光输出按照IES LM-51-11进行测试。　　2013年8月20日，能源部发布了有关金属卤化物灯具的节能标准的技术规则提案(78 FR 51463)。2013年9月27日，美国能源部将就金属卤化物灯的MEPS标准举行公共会议并征集公众意见。意见征询的截止日期为2013年10月21日。能源部在一份技术规则提案中称，用于室内外的400W的金属卤化物灯具的平均寿命周期可节约的成本约为30美元 1000W的金属卤钨灯具可节约的寿命周期成本约为400-500美元。根据能源部的估算，在30年间，设立的金属卤化物灯的MEPS标准将节约0.80-1.1夸特的能源。同时，MEPS标准还将减少4900-6500万公吨的二氧化碳、21.4-28.9万吨甲烷、890-3000吨一氧化二氮、6.5-8.7万吨二氧化硫、6.6-9.0万吨氧化氮和0.11-0.15吨水银的排放。　　详情参见：http://www.gpo.gov/fdsys/granule/FR-2013-08-20/2013-20006/content-detail.html

【科学背景】二维（2D）半导体和范德瓦尔斯（vdW）异质结构是新兴的纳米材料，因其在设计纳米电子学、光电子学和纳米光子学方面的巨大潜力而成为了研究热点。在众多混合维度异质结构中，卤化物钙钛矿/2D半导体异质结构因其独特的光电和光子特性而脱颖而出。卤化物钙钛矿具有大的吸收系数和折射率、低陷阱密度、高光致发光量子产率、可调节的带隙等优点，这些特性为2D光电和光子器件提供了有效的补救措施。然而，实现高质量单晶卤化物钙钛矿/2D半导体混合维度异质结构仍然具有挑战性，主要问题包括材料结构在外部应力下的超敏感性和碘的复杂反应性。为了应对这些挑战，湖南大学段曦东教授团队提出了一种通用的范德瓦尔斯异质外延策略，通过这一方法成功合成了一系列高质量的单晶卤化物钙钛矿/2D半导体异质结构。通过选择特定的钙钛矿外延层和2D半导体，可以按需调整异质结构，涵盖从全无机到有机-无机混合类型的钙钛矿以及不同的2D半导体。这种方法展示了高晶面和对齐选择性，实验结果表明，这些异质结构具有显著降低的缺陷密度和均匀的能量景观，从而提供了增强的光增益特性和超低阈值且稳定的单模激光。此项研究拓展了范德瓦尔斯异质结构的应用前景，为片上光源和集成光电设备的发展提供了新的思路和方法。【科学亮点】（1）实验首次展示了通用的范德瓦尔斯异质外延策略，用于合成一系列晶面特异性的单晶卤化物钙钛矿/二维（2D）半导体（多重）异质结构。通过这种方法，可以在不同维度和成分的基础上，灵活地定制异质结构，包括从全无机到有机-无机混合的钙钛矿，以及单独的过渡金属二硫化物或2D异质结。（2）实验通过以下步骤和方法取得了一系列显著结果：&bull 方法：采用了范德瓦尔斯异质外延方法，将特定的钙钛矿外延层与2D半导体耦合，实现了高质量单晶异质结构的合成。该方法对CMOS兼容基板（如SiO2/Si）和光子兼容平台（如Si和LiNbO3）具有普遍适用性。&bull 结果一：通过选择不同的耦合层，可以广泛调整所获得的异质结构，从而实现可编程的异质结构，优化材料特性和设备性能。&bull 结果二：实验发现，外延的钙钛矿表现出高晶面和对齐选择性，这可能归因于热力学上有利的界面形成能及其在底层单层半导体的三重对称下形成的简并态。&bull 结果三：由于弱的范德瓦尔斯相互作用在异质界面产生不共晶/非相干的平面内晶格，实现了无键集成，最小化了失配引起的应变和缺陷。 &bull 结果四：范德瓦尔斯外延钙钛矿半导体表现出显著降低的缺陷密度和均匀的能量景观，从而提供了增强的光增益特性和超低阈值且稳定的单模激光。&bull 结果五：实验合成的CsPbI2Br/WSe2异质结构展示了超高的光增益系数、降低的增益阈值和延长的增益寿命，归因于降低的能量无序。【科学图文】图1：卤化物钙钛矿/二维半导体异质结构的外延生长。图2：外延异质结构的界面能量。 图3：单层WSe2和外延CsPbI3的原子结构图案。图4：晶面选择性外延生长的机制。图5：能量无序景观。图6：光增益响应。图7：卤化物钙钛矿/二维半导体异质结构的增强激光能力。【科学启迪】 以上文章展示了通过范德瓦尔斯异质外延方法成功合成高质量的卤化物钙钛矿/二维半导体异质结构，并在光子学领域取得显著进展。这一研究不仅为开发新型光电子和光子器件提供了创新的材料平台，还突破了传统材料集成的限制。通过优化材料的光学性能和结构设计，实现了具有超低阈值和稳定性的单模激光器，为光通信和传感等领域的应用提供了新的解决方案。特别是，引入的单层半导体在促进钙钛矿的选择性外延生长和作为传输层方面发挥了关键作用，为电驱动片上激光器的实现奠定了基础。这项研究不仅推动了光子学领域的技术进步，还为理解和利用材料的光电特性提供了深刻见解，为未来量子光子学和光电子一体化系统的发展开辟了新的研究方向。原文详情：Zhang, L., Wang, Y., Chu, A. et al. Facet-selective growth of halide perovskite/2D semiconductor van der Waals heterostructures for improved optical gain and lasing. Nat Commun 15, 5484 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49364-0

印度理工学院甘地纳加尔校区（IIT Gandhinagar）的Rupak Banerjee教授带领Tufan Paul组成的研究团队，于2023年7月13日在ACS Appl. Mater. Interfaces上发表了一项最新研究成果。该研究的主要目标是开发一种无铅的有机-无机卤化物钙钛矿材料，用于生物力学能量收集和压力感应应用。传统的有机-无机卤化物钙钛矿材料，如CH3NH3PbI3，具有优异的光电性能，但也存在长期稳定性差和铅污染的问题。因此，该团队探索了Cs2SnX6（X = Cl、Br和I）化合物作为一种环境友好和可持续的替代方案。这些化合物不含铅，并具有良好的环境稳定性和光电性能。此外，它们还可以与压电聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）结合，制备自供电的压电纳米发电器（PENGs）。该研究使用了Enlitech的QE-R量子效率测量系统，进行了紫外可见反射光谱响应测量，QE-R量子效率系统可提供各种太阳能电池精准的EQE检测数据。搭配光焱（Enlitech）配套开发的自动化检查软件，使其IPCE、IQE和光谱响应数据的检测准确快速，QE-R量子效率光学仪的检测量子效率结果被高影响因子期刊广泛采用和引用。Rupak Banerjee教授团队使用溶剂热法合成了Cs2SnX6纳米结构，并与PVDF混合制成复合薄膜。他们发现，Cs2SnX6的加入可以增强PVDF中的电活性相，从而提高复合薄膜的压电性能。他们还使用第一原理密度泛函理论（DFT）计算来分析Cs2SnX6和PVDF之间的界面作用，揭示了钙钛矿和PVDF之间存在物理吸附作用，导致压电反应增强的机制。他们系统地改变了无机Cs2SnX6钙钛矿中的卤素离子，并研究了相应的PENGs的压电行为。此外，他们还测量了这些卤素钙钛矿基混合物的介电性质、压电反应幅度、压电输出信号和充电容量。在众多制备的薄膜中，最优化的Cs2SnI6_PVDF薄膜表现出最高的压电系数（d33）值，约为200 pm V–1，并且从压电力显微镜和极化滞回曲线测量中得到了约0.74 μC cm–2的剩余极化。最优化的Cs2SnI6_PVDF基设备在受到周期性垂直压缩时产生了约167 V的瞬时输出电压，约5.0 μA的电流和约835 μW的功率。该设备的输出电压用于对一个10 μF的电容器充电，充到2.2 V后，可以驱动一些商业LED。除了用作压力传感器，该设备还用于监测人体生理活动。该设备在环境中展示了出色的操作耐久性，证明了它在机械能量收集和压力感应应用方面的卓越潜力。这项研究为开发无铅卤化物钙钛矿材料提供了一种新的思路，并为利用生物力学能量驱动可穿戴设备和自供电系统提供了一种有效的方法。该研究团队表示，他们将继续优化这些材料和设备的性能，并探索更多的应用场景。