華東理工大學鈣鈦礦光電子材料新突破！單晶薄膜生長速率提高3倍

    據(jù)華東理工大學（簡稱華理）消息，華東理工大學清潔能源材料與器件團隊近期自主研發(fā)了一種鈣鈦礦單晶薄膜通用生長技術(shù)，將晶體生長周期由7天縮短至1.5天，實現(xiàn)了30余種金屬鹵化物鈣鈦礦半導體的低溫、快速、可控制備，為新一代的高性能光電子器件提供了豐富的材料庫，相關(guān)成果發(fā)表于國際知名學術(shù)期刊《自然-通訊》。

    金屬鹵化物鈣鈦礦是一類光電性質(zhì)優(yōu)異、可溶液制備的新型半導體材料，在太陽能電池、發(fā)光二極管、輻射探測領(lǐng)域顯示出應用前景，被譽為新能源、環(huán)境等領(lǐng)域的新質(zhì)生產(chǎn)力，成為學術(shù)界、工業(yè)界爭相創(chuàng)新研發(fā)的目標。相對于碎鉆般的多晶薄膜，鈣鈦礦單晶晶片具有極低的缺陷密度（約為多晶薄膜的十萬分之一），同時兼具優(yōu)異的光吸收、輸運能力以及穩(wěn)定性，是高性能光電子器件的理想候選材料。然而，國際上尚未有鈣鈦礦單晶晶片的通用制備方法，傳統(tǒng)的空間限域方法僅能以高溫、生長速率慢的方式制備幾種毫米級單晶，極大地限制了單晶晶片的實際應用。

    鈣鈦礦單晶薄膜材料生長涉及到成核、溶解、傳質(zhì)、反應等多個過程，其生長過程的控制步驟仍不明確。研究團隊結(jié)合多重實驗論證和理論模擬，揭示了傳質(zhì)過程是決定晶體生長速率的關(guān)鍵因素，自主研發(fā)了以二甲氧基乙醇為代表的生長體系，通過多配位基團精細調(diào)控膠束的動力學過程，使得溶質(zhì)的擴散系數(shù)提高了3倍。在高溶質(zhì)通量系統(tǒng)中，研究人員將原有的晶體生長溫度降低了60度，晶體的生長速率提高了4倍，生長周期由7天縮短至1.5天。

    該成果的主要完成人、華東理工大學侯宇教授介紹，“該單晶薄膜生長技術(shù)具有普適性，可以實現(xiàn)30余種厘米級單晶薄膜的低溫、快速、高通量生長�！扁}鈦礦結(jié)構(gòu)中常用的鉛元素可以輕易替換成低毒性的錫、鍺、鉍、銻、銅，鹵素離子（氯、溴、碘）全覆蓋。此外，一些難以合成的具有雙金屬結(jié)構(gòu)、多元素合金的單晶，也首次實現(xiàn)了單晶的可控制備。

    華理研究團隊稱，這一研究成果不但突破了傳統(tǒng)生長體系中溶質(zhì)擴散不足的技術(shù)壁壘，提供了一條普適性、低溫、快速的單晶薄膜生長路線，構(gòu)建了30余種高質(zhì)量厘米級單晶薄膜材料庫，團隊還組裝了高性能單晶薄膜輻射探測器件，實現(xiàn)大面積復雜物體的自供電成像，避免高工作電壓的限制，拓展輻射探測的應用場景，為便攜式、戶外條件提供了新范式。

    該研究工作以華東理工大學為唯 一通訊單位。華理材料科學與工程學院博士生劉達為論文的第 一作者，侯宇教授和楊雙教授為論文的通訊作者，并得到了楊化桂教授的悉心指導。上述研究工作得到了國家高層次人才特殊支持計劃、國家優(yōu) 秀青年科學基金、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)等項目的資助。