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)了一種鈣鈦礦單晶薄膜通用生長(zhǎng)技術(shù)，將晶體生長(zhǎng)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(kù)。近日，相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》。

華東理工大學(xué)清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)

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、輻射探測(cè)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(zhēng)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(wàn)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(guó)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(zhǎng)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(guò)科技“魔法”， 讓毫米級(jí)“碎鉆” 長(zhǎng)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(guò)程是決定晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)體系，通過(guò)多配位基團(tuán)精細(xì)調(diào)控膠束的動(dòng)力學(xué)過(guò)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(zhǎng)溫度降低了60℃，晶體的生長(zhǎng)速率提高了4倍，生長(zhǎng)周期由7天縮短至1.5天。

“該單晶薄膜生長(zhǎng)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(zhǎng)?！痹摮晒闹饕瓿扇?、華東理工大學(xué)侯宇教授介紹說(shuō)。

華東理工大學(xué)科研人員展示鈣鈦礦單晶晶片通用生長(zhǎng)技術(shù)

這一研究成果不但突破了傳統(tǒng)生長(zhǎng)體系中溶質(zhì)擴(kuò)散不足的技術(shù)壁壘，還提供了一條普適性、低溫、快速的單晶薄膜生長(zhǎng)路線(xiàn)，構(gòu)建了30余種高質(zhì)量厘米級(jí)單晶薄膜材料庫(kù)。此外，團(tuán)隊(duì)還組裝了高性能單晶薄膜輻射探測(cè)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(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景，為便攜式、戶(hù)外條件提供了新范式。

另?yè)?jù)介紹，基于高質(zhì)量單晶薄膜所組裝的輻射探測(cè)器件，在零偏壓和低電壓模式下的靈敏度均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，是商業(yè)化α-Se探測(cè)器的5萬(wàn)倍。

華東理工大學(xué)清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)

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(zhǎng)過(guò)程，攻關(guān)鈣鈦礦晶片與薄膜晶體管的直接耦聯(lián)工藝，開(kāi)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(cè)應(yīng)用落地鋪平道路。