华东理工自主研发钙钛矿单晶薄膜通用生长技术获突破

让“毫米级碎钻变厘米级钻石”

中化新网讯  4月2日，记者从华东理工大学举行的新型钙钛矿光电子材料研究成果媒体采访会上获悉，近期，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，提速达到4倍，且实现了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，这一成果可应用于从光伏、芯片到医学影像装备等的核心器件。相关成果日前刊发在国际学术期刊《自然·通讯》上。

据介绍，金属卤化物钙钛矿是一类光电性质优异、可利用溶液制备的明星半导体材料，在太阳能电池、发光二极管、辐射探测领域展现出应用前景，被誉为新能源、生态环保等领域的新质生产力，成为学术界、工业界争相创新研发的目标。

目前，这些光电子器件主要采用多晶薄膜作为光活性材料，但多晶形式的“先天缺陷”显著降低器件性能和使用寿命。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”钻石，其极低的缺陷密度仅为多晶薄膜的十万分之一左右，同时兼具优异的光吸收、输运能力以及稳定性，成为更理想的候选材料。

然而，国际上尚未有钙钛矿单晶晶片的通用制备方法，传统的空间限域方法仅能以高温、生长速率慢的方式制备几种毫米级单晶，极大限制了单晶晶片的实际应用。如何“魔法实施”，该团队自主研发的钙钛矿单晶薄膜通用生长技术，就让毫米级“碎钻”长成了厘米级“完美钻石”。

据了解，钙钛矿单晶薄膜材料生长涉及成核、溶解、传质、反应等多个过程，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，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度，晶体的生长速率提高了4倍。

“这项生长技术具有普适性，可以实现30余种金属卤化物钙钛矿半导体的厘米级单晶薄膜生长，低温、快速、可控，而且高通量。”该成果的主要完成人、华东理工大学侯宇教授表示。他说，比如，在70度下，甲胺铅碘单晶薄膜的生长速度可达到8微米/分钟，在一个结晶周期内单晶薄膜尺寸可达2cm。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，卤素离子（氯、溴、碘）全覆盖。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。

与此同时，这一研究成果不但突破了传统生长体系中溶质扩散不足的技术壁垒，提供了一条普适通用、更高效率、更低条件的单晶薄膜生长路线，还基于这一关键材料，组装出高性能单晶薄膜的辐射探测器件，目前主要用于X光探测和成像。

经实测，高质量单晶薄膜所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也展示出优异的空间尺度一致性。以胸透成像为例，基于高质量晶片的器件比常规医疗诊断所需的辐射强度数值低100倍。

侯宇表示，通过试验，他们的辐射探测器件不需要外源供电，实现大面积复杂物体的自供电X射线成像，避免了高工作电压的限制，拓展出辐射探测的应用场景，为便携式、户外等条件下的探测提供了新范式。

侯宇介绍说，为实现“小材料”的“大用途”，下一步团队将在此实验基础上同步调控晶体的成核和生长过程，攻关钙钛矿晶片与薄膜晶体管的直接耦联工艺，开发动态高分辨成像技术，为钙钛矿晶片的辐射探测应用落地铺平道路。