近日，華東理工大學清潔能源材料與器件團隊自主研發了一種鈣鈦礦單晶薄膜通用生長技術，將晶體生長周期由7天縮短至1.5天，實現了30余種金屬鹵化物鈣鈦礦半導體的低溫、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。相關研究成果發表于《自然—通訊》。
生長方法限制晶體應用
金屬鹵化物鈣鈦礦是一類光電性質優異、可溶液制備的新型半導體材料，結合了無機半導體的高性能和有機半導體的柔性特征，在太陽能電池、發光二極管、輻射探測領域顯示出優越的應用前景，被譽為新能源、環境等領域的新質生產力。
按照物質形態，材料結構可以分為單晶、多晶和非晶三種類型。傳統的半導體材料主要是單晶結構，而鈣鈦礦以多晶為主。
“我們希望把鈣鈦礦做成單晶的結構，進而作為半導體器件應用?！痹摮晒闹饕瓿扇?、華東理工大學教授侯宇介紹。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”，具有極低的缺陷密度，同時兼具優異的光吸收、輸運能力以及穩定性，是高性能光電子器件的理想候選材料。
然而，國際上尚無鈣鈦礦單晶晶片的通用制備方法。鈣鈦礦單晶薄膜材料生長涉及到成核、溶解、傳質、反應等多個過程，其生長過程的控制步驟仍不明確。傳統的空間限域方法需要較高溫度的生長條件，且生長速率慢、只能制備毫米級單晶，難以滿足單晶晶片的實際應用需求。
長成厘米級“完美鉆石”
如何通過科技“魔法”，讓毫米級“碎鉆”長成厘米級“完美鉆石”？
研究團隊結合多重實驗論證和理論模擬，揭示了傳質過程是決定晶體生長速率的關鍵因素。在此基礎上，經過大量的摸索和嘗試，團隊自主研發了以二甲氧基乙醇為代表的生長體系，通過多配位基團精細調控膠束的動力學過程，使得溶質的擴散系數提高了3倍。在高溶質通量系統中，研究人員將原有的晶體生長溫度降低了60攝氏度，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。
侯宇指出：“除了能耗降低，在低溫條件下，晶體生長受到的環境擾動更小，同時可以抑制副反應，減少晶體中的雜質。”
進一步地，研究團隊提供了一條普適性、低溫、快速的單晶薄膜生長路線，構建了30余種高質量厘米級單晶薄膜材料庫。
厘米級單晶薄膜材料庫
“該單晶薄膜生長技術具有普適性，可以實現30余種厘米級單晶薄膜的低溫、快速、高通量生長?！焙钣钆e例，如利用此方法，甲胺鉛碘單晶薄膜在70攝氏度條件下，生長速度可達到8微米/分鐘，在一個結晶周期內單晶薄膜尺寸可達2 厘米。
同時，鈣鈦礦結構中常用的鉛元素可以輕易替換成低毒性的錫、鍺、鉍、銻、銅等元素。此外，一些難以合成的具有雙金屬結構、多元素合金的單晶，也首次實現了單晶的可控制備。
輻射探測新范式
為探索鈣鈦礦單晶薄膜的應用潛能，研究團隊組裝了單晶薄膜輻射探測器件，可實現大面積復雜物體的自供電成像、拓展輻射探測的應用場景。
研究團隊介紹，得益于高效的載流子收集性能，該器件的擴散長度遠超晶體厚度，有望實現探測器的自供電模式工作。團隊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到國際領先水平，是商業化α-Se探測器的5萬倍。此外，在像素陣列化器件中展示出優異的空間尺度一致性，實現了大面積復雜物體的X射線成像。以胸透成像為例，基于此晶片的器件比常規醫療診斷所需的輻射強度低100倍。
“預計在一年內，在一個結晶周期內單晶薄膜尺寸可達3~4厘米，可以進一步往產業化進行推進。”侯宇教授表示，未來的攻關主要包括十英寸級晶圓可控制備、薄膜晶體管耦聯技術和開發動態高分辨成像技術這3個方向。
研究團隊 圖片均來源于華東理工大學
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46712-y
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