近日，华东理工大学材料科学与工程学院侯宇教授、杨双教授等在钙钛矿单晶薄膜的可控制备研究中取得新进展，相关成果发表于国际知名学术期刊《自然-通讯》。
金属卤化物钙钛矿是一类光电性质优异、可溶液制备的新型半导体材料，在太阳能电池、发光二极管和辐射探测器等领域有重要应用。目前，这些器件主要采用多晶薄膜为光活性材料，其表界面悬挂键、不饱和键等缺陷将显著降低器件性能和使用寿命。单晶薄膜材料本体不含有晶界等缺陷，是制备光电子器件的理想候选材料，但如何可控、低温合成该类材料仍是该领域所面临的主要挑战。
单晶材料生长涉及到成核、溶解、传质、反应等多个过程。对钙钛矿单晶而言，其生长过程中的控制步骤仍不明确。研究团队采用原位显微观测、胶体扩散吸光度测试、核磁共振扩散序谱等手段，定量化分析了钙钛矿前驱体溶液中的溶质扩散过程，同时结合分子动力学和数值仿真，证实了物质传递过程是钙钛矿单晶薄膜生长的决速步骤。随后，研究团队开发了以二甲氧基乙醇为代表的高通量单晶生长溶液体系，通过多官能团配位作用细化前驱体胶束尺寸，将前驱体体系的扩散系数由1.7×10-10 m2 s-1提高至5.4×10-10 m2 s-1，从而使得单晶薄膜的生长速率提高约3倍，制备环境温度普遍降低了30℃~60℃。例如，在70℃下，甲胺铅碘单晶薄膜的生长速度可达到8.0 µm min-1，在一个结晶周期内单晶薄膜尺寸可达2 cm。研究团队进一步证实了该单晶薄膜生长技术的普适性，实现了30余种厘米级单晶薄膜的低温、快速、高通量生长方法。另外，该晶体生长技术可抑制单晶薄膜中的晶格缺陷形成，制备单晶薄膜的载流子迁移率高达160 cm2 V-1 s-1、扩散长度超80 µm，这些物理性质参数达到了目前商业化晶硅半导体材料水平。以制备的单晶薄膜为活性层的辐射探测器件，在零偏压模式下的灵敏度高达到1.74×105 µC Gy−1 cm−2，并在英寸级像素阵列化器件中展示出优异的空间尺度上一致性，实现了自供电模式下大面积复杂物体的X射线成像。这项工作阐明了钙钛矿单晶薄膜的晶化机理，为新一代的高性能光电器件提供了丰富的材料库。
该研究工作以华东理工大学为唯一通讯单位。华理材料科学与工程学院博士生刘达为本论文的第一作者，侯宇教授和杨双教授为本论文的通讯作者，并得到了杨化桂教授的悉心指导。该研究工作得到了国家高层次人才特殊支持计划、国家优秀青年科学基金、上海市基础研究特区等项目的资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46712-y
