近日，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院侯宇教授、楊雙教授等在鈣鈦礦單晶薄膜的可控制備研究中取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Universal growth of perovskite thin monocrystals from high solute flux for sensitive self-driven X-ray detection”為題發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》。

金屬鹵化物鈣鈦礦是一類(lèi)光電性質(zhì)優(yōu)異、可溶液制備的新型半導(dǎo)體材料，在太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管和輻射探測(cè)器等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。目前，這些器件主要采用多晶薄膜為光活性材料，其表界面懸掛鍵、不飽和鍵等缺陷將顯著降低器件性能和使用壽命。單晶薄膜材料本體不含有晶界等缺陷，是制備光電子器件的理想候選材料，但如何可控、低溫合成該類(lèi)材料仍是該領(lǐng)域所面臨的主要挑戰(zhàn)。

單晶材料生長(zhǎng)涉及到成核、溶解、傳質(zhì)、反應(yīng)等多個(gè)過(guò)程。對(duì)鈣鈦礦單晶而言，其生長(zhǎng)過(guò)程中的控制步驟仍不明確。研究團(tuán)隊(duì)采用原位顯微觀測(cè)、膠體擴(kuò)散吸光度測(cè)試、核磁共振擴(kuò)散序譜等手段，定量化分析了鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中的溶質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程，同時(shí)結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)和數(shù)值仿真，證實(shí)了物質(zhì)傳遞過(guò)程是鈣鈦礦單晶薄膜生長(zhǎng)的決速步驟。隨后，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了以二甲氧基乙醇為代表的高通量單晶生長(zhǎng)溶液體系，通過(guò)多官能團(tuán)配位作用細(xì)化前驅(qū)體膠束尺寸，將前驅(qū)體體系的擴(kuò)散系數(shù)由1.7×10^-10 m² s^-1提高至5.4×10^-10 m² s^-1，從而使得單晶薄膜的生長(zhǎng)速率提高約3倍，制備環(huán)境溫度普遍降低了30~60℃。例如，在70℃下，甲胺鉛碘單晶薄膜的生長(zhǎng)速度可達(dá)到8.0 μm min^-1，在一個(gè)結(jié)晶周期內(nèi)單晶薄膜尺寸可達(dá)2 cm。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證實(shí)了該單晶薄膜生長(zhǎng)技術(shù)的普適性，實(shí)現(xiàn)了30余種厘米級(jí)單晶薄膜的低溫、快速、高通量生長(zhǎng)方法。另外，該晶體生長(zhǎng)技術(shù)可抑制單晶薄膜中的晶格缺陷形成，制備單晶薄膜的載流子遷移率高達(dá)160 cm² V^-1 s^-1、擴(kuò)散長(zhǎng)度超80 μm，這些物理性質(zhì)參數(shù)達(dá)到了目前商業(yè)化晶硅半導(dǎo)體材料水平。以制備的單晶薄膜為活性層的輻射探測(cè)器件，在零偏壓模式下的靈敏度高達(dá)到1.74×10⁵ μC Gy^?1 cm^?2，并在英寸級(jí)像素陣列化器件中展示出優(yōu)異的空間尺度上一致性，實(shí)現(xiàn)了自供電模式下大面積復(fù)雜物體的X射線成像。這項(xiàng)工作闡明了鈣鈦礦單晶薄膜的晶化機(jī)理，為新一代的高性能光電器件提供了豐富的材料庫(kù)。

該研究工作以華東理工大學(xué)為唯一通訊單位。我校材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生劉達(dá)為本論文的第一作者，侯宇教授和楊雙教授為本論文的通訊作者，并得到了楊化桂教授的悉心指導(dǎo)。該研究工作得到了國(guó)家高層次人才特殊支持計(jì)劃、國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)等項(xiàng)目的資助。

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