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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。 据介绍，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，在太阳能电池、发光二极管和辐射探测器等领域有重要应用。 目前，这些器件主要采用多晶薄膜为光活性材料，其表界面悬挂键、不饱和键等缺陷将显著降低器件性能和使用寿命。单晶薄膜材料本体不含有晶界等缺陷，是制备光电子器件的理想候选材料，但如何可控、低温合成该类材料仍是该领域所面临的主要挑战。 官方资料显示，单晶材料生长涉及到成核、溶解、传质、反应等多个过程。对钙钛矿单晶而言，其生长过程中的控制步骤仍不明确。研究团队采用原位显微观测、胶体扩散吸光度测试、核磁共振扩散序谱等手段，定量化分析了钙钛矿前驱体溶液中的溶质扩散过程，同时结合分子动力学和数值仿真，证实了物质传递过程是钙钛矿单晶薄膜生长的决速步骤。 随后，研究团队开发了以二甲氧基乙醇为代表的高通量单晶生长溶液体系，通过多官能团配位作用细化前驱体胶束尺寸，将前驱体体系的扩散系数由1.7×10-10 m2 s-1提高至5.4×10-10 m2 s-1，从而使得单晶薄膜的生长速率提高约3倍，制备环境温度普遍降低了30℃~60℃。例如，在70℃下，甲胺铅碘单晶薄膜的生长速度可达到8.0 µm min-1，在一个结晶周期内单晶薄膜尺寸可达2 cm。研究团队进一步证实了该单晶薄膜生长技术的普适性，实现了30余种厘米级单晶薄膜的低温、快速、高通量生长方法。 另外，该晶体生长技术可抑制单晶薄膜中的晶格缺陷形成，制备单晶薄膜的载流子迁移率高达160 cm2 V-1 s-1、扩散长度超80 µm，这些物理性质参数达到了目前商业化晶硅半导体材料水平。以制备的单晶薄膜为活性层的辐射探测器件，在零偏压模式下的灵敏度高达到1.74×105 µC Gy−1 cm−2，并在英寸级像素阵列化器件中展示出优异的空间尺度上一致性，实现了自供电模式下大面积复杂物体的X射线成像。这项工作阐明了钙钛矿单晶薄膜的晶化机理，为新一代的高性能光电器件提供了丰富的材料库。 据悉，相关成果发表于国际知名学术期刊《自然-通讯》。 |
