导读

钙钛矿材料凭借优异的光电性能已成为新一代光电器件的明星材料，但其纳米结构化加工一直面临“鱼和熊掌不可兼得”的困境——要么牺牲材料完整性换取功能，要么保护材料但功能受限。近日，哈工程青岛与俄罗斯圣光机的研究团队合作，以“Structural colouring and luminescence anisotropy of perovskite thin films via laser-induced periodic surface structure formation”为题在Light: Advanced Manufacturing报道了一项突破性进展：通过激光诱导周期性表面结构（LIPSS）技术对TiO₂基底进行预处理，在完全不破坏钙钛矿的情况下实现了其纳米结构化。这种巧妙策略不仅保证了钙钛矿薄膜的完整性，还同时获得了结构色显示、发光偏振调控和电荷提取增强三重功能。更重要的是，该技术展现出优异的生产潜力，加工速度达到每分钟2.25平方厘米，为大规模应用奠定了基础。

钙钛矿纳米结构薄膜在先进光电器件开发中扮演着关键角色，因为它们为光调控提供了额外的自由度——包括光反射、结构着色、光捕获和局域化等。然而，如何在不损伤钙钛矿材料的前提下实现纳米结构化一直是个挑战。直接激光刻蚀、模具压印、机械刮擦或等离子刻蚀等传统方法都会对钙钛矿薄膜造成损伤。本研究通过在TiO₂基底上预先制备LIPSS，再制备钙钛矿薄膜层，巧妙地解决了这一难题。

基底预处理实现钙钛矿薄膜的无损纳米结构化

为了避免损伤敏感的钙钛矿材料，研究团队创新性地采用了基底预处理策略。在钙钛矿沉积之前，先用紫外纳秒激光在TiO₂电子传输层表面制备出周期性纳米光栅结构（LIPSS）。经过参数优化，最终获得了周期约290 nm、高度约45 nm的均匀光栅结构。再通过湿化学沉积，在LIPSS结构表面得到钙钛矿薄膜。这种预制的纳米结构巧妙地解决了一个关键难题：既实现了钙钛矿薄膜的纳米结构化，又完全避免了对材料的损伤。更重要的是，该技术展现出优异的生产潜力，加工速度达到2.25 cm²·min^-1，为大规模应用奠定了基础。

图1：LIPSS-钙钛矿异质结构的逐步形成示意图及其钙钛矿成膜前后示意图

图2：LIPSS结构的SEM图像和AFM轮廓

基于LIPSS的高效结构色与发光偏振

研究团队在两种典型钙钛矿体系（CsPbBr₃量子点和CsMAFAPbIBr₃多晶薄膜）上验证了LIPSS的光学调控能力。钙钛矿薄膜展现出角度依赖的虹彩结构色，源于纳米光栅的衍射和干涉效应。更重要的是，LIPSS赋予了钙钛矿薄膜显著的发光各向异性：当LIPSS方向与探测通道平行时，光致发光（PL）信号强度显著增强，而在垂直方向则呈现周期性调制。这种定向发光特性源于纳米光栅对发射光的模式选择性耦合，为开发偏振发光器件和方向性显示提供了新途径。

图3：光致发光强度对钙钛矿纳米结构薄膜（a、b：CsPbBr₃量子点薄膜；c、d：混合三阳离子CsMAFAPbIBr₃多晶薄膜）收集通道旋转角度的依赖性

电荷传输加速与发光偏振协同增强

通过在TiO₂电荷传输层上制备LIPSS，可以有效提升其与钙钛矿薄膜界面的电荷提取效率。时间分辨光致发光（TRPL）分析定量地揭示了这一点：对于CsMAFAPbIBr₃薄膜，其单分子复合常数a（与界面电荷提取和陷阱态复合相关）从未处理的 2 x 106 s^-1显著提升至 9 x 10⁶ s^-1，增幅达4.5倍。尤为关键的是，X射线衍射（XRD）分析表明，平面和纳米结构上的钙钛矿薄膜呈现出相似的衍射图谱，证实LIPSS的制备过程并未显著影响钙钛矿的晶体生长或引入额外的晶体缺陷。因此可以得出结论，器件的性能增益主要源于界面物理结构的优化，LIPSS结构增大了TiO₂与钙钛矿的有效接触面积，从而促进了电荷的提取，而非材料本身晶体学性质的改变。

图4：钙钛矿薄膜的TRPL分析

总结与展望

本研究开发了一种基于LIPSS的钙钛矿薄膜光学调控技术，实现了结构色显示、发光偏振调控和电荷提取增强的多重功能。该方法具备高通量、低成本、无损加工等优势，为钙钛矿光电器件的性能提升与功能集成提供了一条高通量、低成本的可行路径。未来，研究者计划将LIPSS技术直接应用于钙钛矿功能层本身，进一步探索其在微纳激光器、偏振发光器件和建筑一体化光伏等前沿领域的应用潜力。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2025.062