華東理工大學(xué)清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的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(shí)現(xiàn)了30余種金屬鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)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。近日，相關(guān)成果發(fā)表于國際知名學(xué)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(dǎo)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(yīng)用前景，被譽(yù)為新能源、環(huán)境等領(lǐng)域的新質(zhì)生產(chǎn)力，成為了學(xué)術(shù)界、工業(yè)界爭相創(chuàng)新研發(fā)的目標(biāo)。

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。相對(duì)于碎鉆般的多晶薄膜，鈣鈦礦單晶晶片如同完美的“非洲之星”，具有極低的缺陷密度（約為多晶薄膜的十萬分之一），同時(shí)兼具優(yōu)異的光吸收、輸運(yùn)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(jí)單晶，極大地限制了單晶晶片的實(shí)際應(yīng)用。如何通過科技“魔法”，讓毫米級(jí)“碎鉆”長成厘米級(jí)“完美鉆石”？

研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合多重實(shí)驗(yàn)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(tuán)精細(xì)調(diào)控膠束的動(dòng)力學(xué)過程，使得溶質(zhì)的擴(kuò)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℃，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。

“該單晶薄膜生長技術(shù)具有普適性，可以實(shí)現(xiàn)30余種厘米級(jí)單晶薄膜的低溫、快速、高通量生長?！痹摮晒闹饕瓿扇?、華東理工大學(xué)侯宇教授介紹說。

這一研究成果不但突破了傳統(tǒng)生長體系中溶質(zhì)擴(kuò)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(jí)單晶薄膜材料庫。此外，團(tuán)隊(duì)還組裝了高性能單晶薄膜輻射探測器件，實(shí)現(xiàn)大面積復(fù)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(yīng)用場景，為便攜式、戶外條件提供了新范式。

另據(jù)介紹，基于高質(zhì)量單晶薄膜所組裝的輻射探測器件，在零偏壓和低電壓模式下的靈敏度均達(dá)到國際領(lǐng)先水平，是商業(yè)化α-se探測器的5萬倍。

為實(shí)現(xiàn)“小材料”的“大用途”，清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)將在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上同步調(diào)控晶體的成核和生長過程，攻關(guān)鈣鈦礦晶片與薄膜晶體管的直接耦聯(lián)工藝，開發(fā)動(dòng)態(tài)高分辨成像技術(shù)，為鈣鈦礦晶片的輻射探測應(yīng)用落地鋪平道路。

該研究工作以華東理工大學(xué)為唯一通訊單位。華理材料科學(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家高層次人才特殊支持計(jì)劃、國家優(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。