我科学家自主研发通用晶体生长技术
为新一代高性能光电子器件提供丰富材料库
记者从华东理工大学获悉,该校清洁能源材料与器件团队自主研发了一种钙钛矿单晶晶片通用生长技术,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,为新一代高性能光电子器件提供了丰富的材料库。相关成果发表于国际学术期刊《自然·通讯》。
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、辐射探测领域展现出应用前景,被誉为新能源、环境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。相对于多晶薄膜,钙钛矿单晶晶片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,国际上尚未有钙钛矿单晶晶片的通用制备方法,其生长过程的控制步骤仍不明确,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,极大限制了实际应用。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。
"该单晶晶片生长技术具有普适性,可以实现30余种厘米级单晶晶片的低温、快速、高通量生长。"该成果的主要完成人、华东理工大学侯宇教授介绍,例如,在70摄氏度下,甲胺铅碘单晶晶片的生长速度可达到8微米/分钟,在一个结晶周期内单晶晶片尺寸可达2厘米。
此外,团队组装了高性能单晶晶片辐射探测器件,实现大面积复杂物体的自供电成像,避免了高工作电压的限制,大大降低辐射强度。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低100倍。
据介绍,接下来,团队将在此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。(记者颜维琦)
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