近日，华东理工大学清洁能源材料与器件团队自主研发了一种钙钛矿单晶薄膜通用生长技术，将晶体生长周期由7天缩短至1.5天，实现了30余种金属卤化物钙钛矿半导体的低温、快速、可控制备，为新一代的高性能光电子器件提供了丰富的材料库。相关研究成果发表于《自然—通讯》。
生长方法限制晶体应用
金属卤化物钙钛矿是一类光电性质优异、可溶液制备的新型半导体材料，结合了无机半导体的高性能和有机半导体的柔性特征，在太阳能电池、发光二极管、辐射探测领域显示出优越的应用前景，被誉为新能源、环境等领域的新质生产力。
按照物质形态，材料结构可以分为单晶、多晶和非晶三种类型。传统的半导体材料主要是单晶结构，而钙钛矿以多晶为主。
“我们希望把钙钛矿做成单晶的结构，进而作为半导体器件应用。”该成果的主要完成人、华东理工大学教授侯宇介绍。相对于碎钻般的多晶薄膜，钙钛矿单晶晶片如同完美的“非洲之星”，具有极低的缺陷密度，同时兼具优异的光吸收、输运能力以及稳定性，是高性能光电子器件的理想候选材料。
然而，国际上尚无钙钛矿单晶晶片的通用制备方法。钙钛矿单晶薄膜材料生长涉及到成核、溶解、传质、反应等多个过程，其生长过程的控制步骤仍不明确。传统的空间限域方法需要较高温度的生长条件，且生长速率慢、只能制备毫米级单晶，难以满足单晶晶片的实际应用需求。
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研究团队结合多重实验论证和理论模拟，揭示了传质过程是决定晶体生长速率的关键因素。在此基础上，经过大量的摸索和尝试，团队自主研发了以二甲氧基乙醇为代表的生长体系，通过多配位基团精细调控胶束的动力学过程，使得溶质的扩散系数提高了3倍。在高溶质通量系统中，研究人员将原有的晶体生长温度降低了60摄氏度，晶体的生长速率提高了4倍，生长周期由7天缩短至1.5天。
侯宇指出：“除了能耗降低，在低温条件下，晶体生长受到的环境扰动更小，同时可以抑制副反应，减少晶体中的杂质。”
进一步地，研究团队提供了一条普适性、低温、快速的单晶薄膜生长路线，构建了30余种高质量厘米级单晶薄膜材料库。
厘米级单晶薄膜材料库
“该单晶薄膜生长技术具有普适性，可以实现30余种厘米级单晶薄膜的低温、快速、高通量生长。”侯宇举例，如利用此方法，甲胺铅碘单晶薄膜在70摄氏度条件下，生长速度可达到8微米/分钟，在一个结晶周期内单晶薄膜尺寸可达2 厘米。
同时，钙钛矿结构中常用的铅元素可以轻易替换成低毒性的锡、锗、铋、锑、铜等元素。此外，一些难以合成的具有双金属结构、多元素合金的单晶，也首次实现了单晶的可控制备。
辐射探测新范式
为探索钙钛矿单晶薄膜的应用潜能，研究团队组装了单晶薄膜辐射探测器件，可实现大面积复杂物体的自供电成像、拓展辐射探测的应用场景。
研究团队介绍，得益于高效的载流子收集性能，该器件的扩散长度远超晶体厚度，有望实现探测器的自供电模式工作。团队组装的辐射探测器件，在零偏压和低电压模式下的灵敏度均达到国际领先水平，是商业化α-Se探测器的5万倍。此外，在像素阵列化器件中展示出优异的空间尺度一致性，实现了大面积复杂物体的X射线成像。以胸透成像为例，基于此晶片的器件比常规医疗诊断所需的辐射强度低100倍。
“预计在一年内，在一个结晶周期内单晶薄膜尺寸可达3~4厘米，可以进一步往产业化进行推进。”侯宇教授表示，未来的攻关主要包括十英寸级晶圆可控制备、薄膜晶体管耦联技术和开发动态高分辨成像技术这3个方向。
研究团队 图片均来源于华东理工大学
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46712-y
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