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近日，記者從華東理工大學(xué)舉行的新型鈣鈦礦光電子材料研究成果媒體采訪會上獲悉，近期，華東理工大學(xué)清潔能源材料與器件團(tuán)隊自主研發(fā)了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，提速達(dá)到4倍，且實(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，這一成果可應(yīng)用于從光伏、芯片到醫(yī)學(xué)影像裝備等的核心器件。相關(guān)成果日前刊發(fā)在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上。
據(jù)介紹，金屬鹵化物鈣鈦礦是一類光電性質(zhì)優(yōu)異、可利用溶液制備的明星半導(dǎo)體材料，在太陽能電池、發(fā)光二極管、輻射探測領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用前景，被譽(yù)為新能源、生態(tài)環(huán)保等領(lǐng)域的新質(zhì)生產(chǎn)力，成為學(xué)術(shù)界、工業(yè)界爭相創(chuàng)新研發(fā)的目標(biāo)。
目前，這些光電子器件主要采用多晶薄膜作為光活性材料，但多晶形式的“先天缺陷”顯著降低器件性能和使用壽命。相對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”鉆石，其極低的缺陷密度僅為多晶薄膜的十萬分之一左右，同時兼具優(yōu)異的光吸收、輸運(yùn)能力以及穩(wěn)定性，成為更理想的候選材料。
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單晶，極大限制了單晶晶片的實(shí)際應(yīng)用。如何“魔法實(shí)施”，該團(tuán)隊自主研發(fā)的鈣鈦礦單晶薄膜通用生長技術(shù)，就讓毫米級“碎鉆”長成了厘米級“完美鉆石”。
據(jù)了解，鈣鈦礦單晶薄膜材料生長涉及成核、溶解、傳質(zhì)、反應(yīng)等多個過程，研究團(tuán)隊結(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度，晶體的生長速率提高了4倍。
“這項(xiàng)生長技術(shù)具有普適性，可以實(shí)現(xiàn)30余種金屬鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體的厘米級單晶薄膜生長，低溫、快速、可控，而且高通量。”該成果的主要完成人、華東理工大學(xué)侯宇教授表示。他說，比如，在70度下，甲胺鉛碘單晶薄膜的生長速度可達(dá)到8微米/分鐘，在一個結(jié)晶周期內(nèi)單晶薄膜尺寸可達(dá)2cm。同時，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中常用的鉛元素可以輕易替換成低毒性的錫、鍺、鉍、銻、銅，鹵素離子（氯、溴、碘）全覆蓋。此外，一些難以合成的具有雙金屬結(jié)構(gòu)、多元素合金的單晶，也首次實(shí)現(xiàn)了單晶的可控制備。
與此同時，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，提供了一條普適通用、更高效率、更低條件的單晶薄膜生長路線，還基于這一關(guān)鍵材料，組裝出高性能單晶薄膜的輻射探測器件，目前主要用于X光探測和成像。
經(jīng)實(shí)測，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。此外，在像素陣列化器件中也展示出優(yōu)異的空間尺度一致性。以胸透成像為例，基于高質(zhì)量晶片的器件比常規(guī)醫(yī)療診斷所需的輻射強(qiáng)度數(shù)值低100倍。
侯宇表示，通過試驗(yàn)，他們的輻射探測器件不需要外源供電，實(shí)現(xiàn)大面積復(fù)雜物體的自供電X射線成像，避免了高工作電壓的限制，拓展出輻射探測的應(yīng)用場景，為便攜式、戶外等條件下的探測提供了新范式。
侯宇介紹說，為實(shí)現(xiàn)“小材料”的“大用途”，下一步團(tuán)隊將在此實(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。
