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  • 科學家實現鈣鈦礦單晶薄膜技術突破,晶體生長周期縮短至

    2024-04-08 11:51 來源:環球網 閱讀數:706

    【環球網科技綜合報道】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。

    據介紹,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,在太陽能電池、發光二極管和輻射探測器等領域有重要應用。

    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。單晶薄膜材料本體不含有晶界等缺陷,是制備光電子器件的理想候選材料,但如何可控、低溫合成該類材料仍是該領域所面臨的主要挑戰。

    官方資料顯示,單晶材料生長涉及到成核、溶解、傳質、反應等多個過程。對鈣鈦礦單晶而言,其生長過程中的控制步驟仍不明確。研究團隊采用原位顯微觀測、膠體擴散吸光度測試、核磁共振擴散序譜等手段,定量化分析了鈣鈦礦前驅體溶液中的溶質擴散過程,同時結合分子動力學和數值仿真,證實了物質傳遞過程是鈣鈦礦單晶薄膜生長的決速步驟。

    隨后,研究團隊開發了以二甲氧基乙醇為代表的高通量單晶生長溶液體系,通過多官能團配位作用細化前驅體膠束尺寸,將前驅體體系的擴散系數由1.7×10-10 m2 s-1提高至5.4×10-10 m2 s-1,從而使得單晶薄膜的生長速率提高約3倍,制備環境溫度普遍降低了30℃?~60℃。例如,在70℃下,甲胺鉛碘單晶薄膜的生長速度可達到8.0 μm min-1,在一個結晶周期內單晶薄膜尺寸可達2 cm。研究團隊進一步證實了該單晶薄膜生長技術的普適性,實現了30余種厘米級單晶薄膜的低溫、快速、高通量生長方法。

    另外,該晶體生長技術可抑制單晶薄膜中的晶格缺陷形成,制備單晶薄膜的載流子遷移率高達160 cm2 V-1 s-1、擴散長度超80 μm,這些物理性質參數達到了目前商業化晶硅半導體材料水平。以制備的單晶薄膜為活性層的輻射探測器件,在零偏壓模式下的靈敏度高達到1.74×105 μC Gy?1 cm?2,并在英寸級像素陣列化器件中展示出優異的空間尺度上一致性,實現了自供電模式下大面積復雜物體的X射線成像。這項工作闡明了鈣鈦礦單晶薄膜的晶化機理,為新一代的高性能光電器件提供了豐富的材料庫。

    據悉,相關成果發表于國際知名學術期刊《自然-通訊》。

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