钙钛矿纳米晶体有望改善从激光到发光二极管等各种光电设备，但其耐久性问题仍然限制了这种材料的广泛商业用途。
佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的研究人员展示了一种旨在解决材料耐久性问题的新方法:将钙钛矿包裹在由塑料和二氧化硅制成的双层保护系统中。
在11月29日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的一项研究中，研究团队描述了一个多步骤的过程，以生产出在潮湿环境中表现出很强抗降解能力的包覆钙钛矿纳米晶体。
“钙钛矿纳米晶体非常容易降解，尤其是当它们接触到水的时候，”佐治亚理工学院材料科学与工程学院教授林志群说。“这种双壳系统提供了两层保护，同时允许每个纳米晶体保持不同和独立的单元，实现优化光电子应用所需的钙钛矿的最大表面积和其他物理特性。”
钙钛矿这个术语指的是这种材料的晶体结构，通常由三部分组成:两个不同大小的阳离子和一个介于两者之间的阴离子。几十年来，研究人员一直在尝试用各种化学物质来替代这种结构，以获得独特的特性。特别是，钙钛矿含有卤化物化合物，如溴和碘，可以作为光吸收剂和发射器。
在这项研究中,美国空军科学研究办公室的支持下,美国国家科学基金会,美国国防威胁降低机构和能源部,林的小组在卤化最常见的配置,形成从methylammonium,铅和溴化。
他们的过程包括首先在一个单糖分子上生长21个聚合物臂来形成星形塑料分子，作为“纳米反应器”。然后，一旦二氧化硅和钙钛矿纳米晶体的前体化学物质被装载到塑料分子上，几个阶段的化学反应就产生了最终的体系。
星状塑料发挥了纳米反应器的作用后，星状的成分就像头发一样永久地附着在包裹钙钛矿的二氧化硅上。这些毛发充当第一层保护，排斥水，防止纳米晶体聚集。随后的一层硅增加了进一步的保护，如果任何水通过防水的塑料头发。
“在过去五年中，钙钛矿纳米晶体的合成和应用一直是一个快速发展的研究领域，”该论文的合著者、佐治亚理工学院(Georgia Tech)前研究生何艳杰说。“我们的战略，基于一个明智设计的星状塑料作为纳米反应器，在高质量钙钛矿纳米晶体的制造上实现了前所未有的控制，具有复杂的结构，这是传统方法无法达到的。”
为了测试这种材料，研究人员在玻璃基片上覆盖了一层钙钛矿薄膜，并进行了几次应力测试，包括将整个样品浸泡在去离子水中。通过在样品上照射紫外线，他们发现钙钛矿的光致发光特性在30分钟的测试中从未减弱。作为对比，研究人员还将未封装的钙钛矿浸入水中，观察它们的光致发光在几秒钟内消失。
林说，新方法释放了调整双壳纳米晶体表面特性以增强其在更大范围应用中的性能的可能性。 从星形塑料制造新的钙钛矿纳米晶体的过程也是独特的，因为它使用了低毒性的低沸点溶剂。 未来的研究可能集中在开发不同的钙钛矿纳米晶体系统，包括全无机钙钛矿，双钙钛矿和掺杂钙钛矿。
Lin说：“我们认为这种钙钛矿纳米晶体将非常有用，可用于制造用于生物成像，生物传感器，光子传感器和辐射检测以及下一代LED，激光器和闪烁体的耐用光电设备。” “这是因为这些毛状钙钛矿纳米晶体具有独特的优势，包括高缺陷耐受性，较窄的发射带和高闪烁效率。”
