光电逻辑器件因高速信息传输、高带宽和低功耗等优势被认为是下一代逻辑电路的理想模型。得益于钙钛矿材料的可调带隙和溶液处理等优势,钙钛矿异质结构可以对不同波长入射光产生差异化的光电响应信号,并可与印刷技术兼容,具有低成本和大规模制造等优点,可用于制备光电逻辑器件。然而,目前的光电逻辑器件通常由两个以上的异质结构堆叠而成,但复杂的构型和制造工艺限制了其集成和应用。

中国科学院化学研究所绿色印刷院重点实验室宋延林课题组开展了可控印刷多维度、多功能微纳传感器件等方面的研究,并取得了进展。近期,该课题组利用模板辅助连续印刷策略可控制备钙钛矿异质结构阵列,并实现光控逻辑运算。该策略印刷制备MAPbBr₃阵列,进而在预成型MAPbBr₃阵列和模板的协同诱导作用下,在MAPbBr₃阵列的特定位点处精准印刷构筑MAPbI₃异质区域。在异质区域的引入过程中,该研究通过精准调控MAPbI₃前驱体溶液中DMF/MAAc二元溶剂的比例和浓度,避免该过程对预成型MAPbBr₃阵列的损伤,并抑制瑞利失稳效应,改善MAPbI₃的结晶质量,从而制备具有多异质区域且形貌均匀可控的MAPbBr₃-MAPbI₃异质结构阵列。MAPbBr₃-MAPbI₃异质结构的不同区域可以对不同波长的入射光展现出不同的逻辑态。该工作结合电极设计,在单个钙钛矿异质结构单元上实现了“与”和“或”逻辑门,并在钙钛矿异质结构阵列上以100%的准确率实现了相应的逻辑操作。

上述成果验证了印刷制备高密度异质结构阵列的可行性,为简化光电集成器件的制备工艺提供了新方法。

相关研究成果发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院的支持。

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印刷制备钙钛矿异质结构阵列实现光控逻辑运算