苏州大学申博渊教授团队Nat. Commun：金属卤化物钙钛矿原子相变动力学的原位成像

01、导读

金属卤化物钙钛矿(MHPs)在光伏、发光二极管、光电探测器和激光器等领域具有广泛应用。MHPs中的原子结构被定义为具有不同晶体系统的特定相，这本质上决定了它们在这些应用中的光电和半导体特性。控制MHPs的相变和相稳定性已成为提高材料性能和器件性能的重要策略。过往的衍射方法研究主要提供宏观样品的平均结构信息，而没有提供局部结构信息，限制了研究人员对MHPs中原子相分布和相变动力学的理解。幸运的是，实时空间成像方法，如电子显微镜，可以实时和原位地研究热诱导相变的空间分布和动力学。但MHPs，即使是无机MHPs，也对电子束非常敏感，这就要求电子剂量和图像信噪比的平衡。另一方面，原位实验中的一些操作，如样品的校准和对准，仍然具有挑战性，需要个人经验。近期，研究人员将集成差分相衬扫描透射电子显微镜(iDPC-STEM)用于光束敏感材料，然后将其与原位成像技术相结合，实现了小分子吸附/解吸行为的原位观察。这些进展促进了这些成像技术在光束敏感材料中的应用，并为进一步研究这些材料的更多结构演变奠定了基础，包括MHPs相变。

02、成果掠影

鉴于此，苏州大学功能纳米与软材料研究所申博渊教授团队使用iDPC-STEM以原子分辨率识别CsPbI₃纳米晶体的相结构。研究人员通过iDPC-STEM图像的剖面分析，定量研究了PbI₆八面体的旋转，这是相变的结构基础。在原位加热过程中，原子解析了温度相关的MHP相结构，并从两个不同的投影记录了PbI₆八面体在不同温度下的旋转角度。更重要的是，通过对单个纳米晶体的连续成像，揭示了相的分布及其随温度的演变(也通过PbI₆八面体的旋转来表达)，以研究CsPbI₃从表面到中心发生相变的动力学。然后，在颗粒水平上观察了热诱导MHPs的降解和转化。这些结果不仅为MHP原子局域相结构提供了成像证据，而且以高于预期的高分辨率揭示了MHP相变动力学的空间和时间尺度。研究结果表明，钙钛矿的相变过程是一个长期的过渡过程，中间态和空间分布明显，在进一步研究结构-性能关系和器件性能时应普遍考虑。

相关研究成果以“In situ imaging of the atomic phase transition dynamics in metal halide perovskites”为题发表在国际著名期刊Nature Communications上。

03、核心创新点

1、该研究使用iDPC-STEM以原子分辨率识别CsPbI₃纳米晶体的相结构。

2、该研究利用PbI₆八面体的旋转，定量分析了MHPs从γ相到α相的转变，包括旋转角度的测量和空间分布的绘制。通过连续成像同一PbI₆八面体的旋转，可以研究单个纳米晶体中的这种原位相变，这使得以适当的空间和时间分辨率揭示相变动力学成为可能。

04、数据概览

图1 CsPbI₃纳米晶的相结构鉴定 © 2023 The Author(s)

图2 原子解析CsPbI₃相结构随温度的变化 © 2023 The Author(s)

图3 单晶CsPbI₃纳米晶相变动力学的原位成像 © 2023 The Author(s)

图4 在粒子水平上成像CsPbI₃纳米晶体的降解和转化 © 2023 The Author(s)

05、成果启示

综上所述，该研究表明，随着低剂量电镜技术的进步，可以在真实空间中直接观察到MHPs的原位结构变化，包括相变和转化。iDPC-STEM技术可以为温度依赖的结构演化提供原子洞察。该研究利用PbI₆八面体的旋转，定量分析了MHPs从γ相到α相的转变，包括旋转角度的测量和空间分布的绘制。通过连续成像同一PbI₆八面体的旋转，可以研究单个纳米晶体中的这种原位相变，这使得以适当的空间和时间分辨率揭示相变动力学成为可能。研究指出，通过电子显微镜直接“看到”相变动力学，对于解释材料的相性质关系，提高器件的寿命和稳定性具有重要意义。同时，虽然iDPC-STEM成像的空间分辨率已经达到原子水平，但时间分辨率仍有待提高，需要使用更快的电子探测器来获得更多的相变细节。在进一步提高成像稳定性后，其他工作环境(结合大气和外场)对MHPs的影响也可以通过更多的原位成像技术来实现，这也是值得期待的。这项工作不仅揭示了MHPs中长期不明确的热诱导相变动力学，而且为在原子尺度上探索MHPs中更多的物理和化学现象提供了更多的希望和信心。

文献链接：In situ imaging of the atomic phase transition dynamics in metal halide perovskites，2023，https://doi.org/10.1038/s41467-023-42999-5）

本文由LWB供稿。