邹德春课题组在钙钛矿忆阻器及PEDOT超级电容器领域取得新进展

一．钙钛矿应用的新路线——首个纤维形态的钙钛矿忆阻器件研发成功

       近几年来，作为一种新型的太阳电池材料，有机无机杂化的钙钛矿材料得到了持续增长的研究关注，由于制备方法简单、器件效率优良并且有潜力超远前面几代的材料体系，这类钙钛矿很快就成为了能源领域的“摇滚明星”。钙钛矿太阳能电池之所以具有可观的性能，材料本身优良的载流子传输能力是一个决定性因素，而这种性质很有可能赋予钙钛矿材料在其他更多领域“一展身手”的机会。近段时间来，陆续有几篇文章报道了有机无机杂化的钙钛矿材料的忆阻性质以及其作为信息存储材料的潜力。忆阻，顾名思义，是指一类具有记忆响应的电阻，其具有的高、低阻两个电阻状态恰好对应了二进制中“0”和“1”两个状态，因此，具有了应用于信息存储及计算领域的潜力。相较于传统的存储材料，忆阻的非易失性、低能耗、高开关比、快响应速度以及具有超越摩尔定律限制的能力等性质使其在这个传统硅基半导体发展越来越接近极限的时代背景下重新获得了不断增长的研究热情。

       77779193永利集团邹德春教授课题组，作为最早发现钙钛矿忆阻性质的科研团队之一（J. Mater. Chem. C 2016, 4, 1375.），在之前的工作中，探究了钙钛矿的忆阻性质并对器件的性能进行了优化，获得了非常高的开关比，而在该项工作中，利用多年研究纤维电子器件的经验，成功制备了第一个纤维形态的钙钛矿忆阻器件（Adv. Electron. Mater. 2016, 2, 1600160.）。器件整体基于钛丝基底，由于在这样的曲面基底上钙钛矿前体溶液很难均匀附着，我们首先利用自制的涂丝机在其上制备了一层均匀的TiO2多孔层；借由这层多孔层的高比表面及多孔性质，钙钛矿前体液在曲面基底上附着能力大大提升，最终生成的钙钛矿功能层的质量也有了明显的提升。我们对器件的忆阻性、稳定性、重复性等进行了系列的测试，器件表现出良好的综合性能，特别是其较低的开关电压，有利于降低实际使用的能耗以及提高使用的安全性；通过与SCLC（space charge limited conduction）等导电模型进行拟合，对钙钛矿忆阻的在不同电压区间的导电机理和过程进行了探究，探究了钙钛矿合适的能级位置和能带结构对于器件性能的决定性作用。该项工作丰富了钙钛矿材料忆阻领域的研究，为其进一步的发展开拓了新的思路，尤其是纤维形态这个要素，有望推动这种材料在可穿戴存储/计算器件领域的应用。

       77779193永利集团博士研究生颜凯为该部分工作的第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、科技部、教育部的资助。

       原文链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.201600160/abstract

图1. 器件结构示意图及I-V性能

二．原位气相沉积聚合：提升PEDOT可拉伸超级电容器性能的新思路

      可拉伸电子设备由于在便携性、可穿戴性方面的独特优势，是近年来柔性电极技术领域里兴起的研究热点。随着各类可拉伸功能器件的发展，开发具有高稳定性、高能量密度与功率密度的可拉伸电源变得愈发迫切。超级电容器具有功率密度高、充放电快速、循环稳定性高等优点，因而受到学界的广泛关注。PEDOT由于其良好的导电性、电化学活性与机械稳定性成为超级电容器的一种理想电极材料，但受限于聚合及负载方法，基于PEDOT作为活性电极材料的可拉伸超级电容器性能仍有待进一步提升。针对高性能可拉伸PEDOT超级电容器的开发，PEDOT负载方式的改进是重中之重。由于可拉伸电极表面往往具有非常复杂的三维结构，并存在较多微观起伏与孔隙，传统的PEDOT负载方法很难完全覆盖电极表面，存在孔隙渗透率低等缺点，难以制备出厚度较为均匀且覆盖完全的PEDOT薄膜。

       近期，永利集团邹德春教授课题组采用新型的原位气相沉积聚合方法，通过对可拉伸织物进行PEDOT修饰，构建出可拉伸、性能稳定的超级电容器，并表现出较高的面积比电容（0.64 F/cm2）与体积比电容（5.12 F/cm3）。在拉伸程度100%或充放电循环50000次后，电容值基本没有衰减，表现出了良好的机械稳定性及电化学稳定性。与浸渍PEDOT：PSS分散液、氧化偶联聚合等传统PEDOT负载方式相比，该种新型的原位聚合方法将单体气化后沉积在基底表面，经加热后原位聚合生成PEDOT薄膜。由于采用气相沉积的方式，单体可以充分渗透进入基底表面的孔隙结构，不会存在溶液浸渍过程中孔隙渗透率不足的缺点；此外，聚合过程前无需对电极基底进行任何前处理工作，也无需负载FeCl3等氧化偶联剂，有助于减少PEDOT薄膜中的杂质残留，并有利于未来的大规模的工业级电极制备。此外，此种新型聚合方法还表现出了较高的基底普适性，在其他织物基底材料表面同样制备出高质量的PEDOT薄膜，因此可直接在不同织物基底上构筑可穿戴电极，在可穿戴器件方面尤其具有优势。这是首次采用原位气相沉积聚合的方式构筑PEDOT可拉伸超级电容器，为PEDOT可拉伸超级电容器性能的提升提供了新思路，未来还有很大潜力有待挖掘。相关论文在线发表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201600009)上。

       77779193永利集团博士研究生于潇为该部分工作的第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、科技部、教育部的资助。

       原文链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.201600009/full

图2. 器件结构及其I-V性能