日前，華東理工大學(xué)清潔能源材料與器件團(tuán)隊自主研發(fā)了一種鈣鈦礦單晶晶片通用生長技術(shù)，將晶體生長周期由7天縮短至1.5天，實現(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，為新一代高性能光電子器件提供了豐富材料庫。相關(guān)成果發(fā)表于國際學(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、輻射探測器等器件制造上展現(xiàn)出應(yīng)用前景。然而，這些器件目前主要采用鈣鈦礦多晶薄膜為光活性材料，其固有缺陷會顯著降低器件性能和使用壽命。若采用缺陷密度僅為多晶薄膜十萬分之一，且兼具優(yōu)異輸運能力及穩(wěn)定性的鈣鈦礦單晶晶片，就能制造更高性能的光電子器件。科學(xué)家將多晶薄膜與單晶晶片分別比作“碎鉆”和“完美鉆石”，以顯示兩者的優(yōu)劣。
長期以來，國際上未有鈣鈦礦單晶晶片的通用制備方法，傳統(tǒng)方法僅能以滿足高溫環(huán)境、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際應(yīng)用。對于鈣鈦礦單晶晶片生長所涉及的成核、溶解、傳質(zhì)、反應(yīng)等多個過程，華東理工大學(xué)團(tuán)隊結(jié)合多重實驗論證和理論模擬，揭示了傳質(zhì)過程是決定晶體生長速率的關(guān)鍵因素，由此研發(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，研究人員實現(xiàn)了將晶體生長環(huán)境溫度降低60攝氏度，晶體生長速率提高4倍，生長周期由7天縮短至1.5天。
該成果主要完成人之一、華東理工大學(xué)教授侯宇舉例說，在70攝氏度下，甲胺鉛碘單晶晶片生長速度可達(dá)到8微米/分鐘，一個結(jié)晶周期內(nèi)晶片尺寸可達(dá)2厘米，較傳統(tǒng)方法下的4毫米大幅提升。“我們突破了傳統(tǒng)生長體系中溶質(zhì)擴(kuò)散不足的技術(shù)壁壘，提供了一條更普適、更高效、更低條件的單晶晶片生長路線。”
基于這一突破，團(tuán)隊組裝了高性能單晶晶片輻射探測器件，不僅可實現(xiàn)自供電輻射成像，避免了高工作電壓的限制，還大大降低了輻射強(qiáng)度，以胸透成像為例，新器件的輻射強(qiáng)度數(shù)值僅為常規(guī)醫(yī)療診斷的百分之一。
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