新突破我国科学家研发新型通用晶体生长技术

记者日前从华东理工大学了解到，该校清洁能源材料与器件团队自主研发了一种钙钛矿单晶晶片通用生长技术，将晶体生长周期由7天缩短至1.5天，实现了30余种金属卤化物钙钛矿半导体的低温、快速、可控制备，为新一代高性能光电子器件提供了丰富材料库。相关成果发表于国际学术期刊《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、辐射探测器等器件制造上展现出应用前景。然而，这些器件目前主要采用钙钛矿多晶薄膜为光活性材料，其固有缺陷会显著降低器件性能和使用寿命。若采用缺陷密度仅为多晶薄膜十万分之一，且兼具优异输运能力及稳定性的钙钛矿单晶晶片，就能制造更高性能的光电子器件。科学家将多晶薄膜与单晶晶片分别比作“碎钻”和“完美钻石”，以显示两者的优劣。

华东理工大学科研人员展示钙钛矿单晶晶片通用生长技术。新华社记者 吴振东 摄

长期以来，国际上未有钙钛矿单晶晶片的通用制备方法，传统方法仅能以满足高温环境、生长速率慢的方式制备几种毫米级单晶，极大限制了单晶晶片的实际应用。对于钙钛矿单晶晶片生长所涉及的成核、溶解、传质、反应等多个过程，华东理工大学团队结合多重实验论证和理论模拟，揭示了传质过程是决定晶体生长速率的关键因素，由此研发了以二甲氧基乙醇为代表的生长体系，通过多配位基团精细调控胶束的动力学过程，使溶质的扩散系数提高了3倍。在高溶质通量系统中，研究人员实现了将晶体生长环境温度降低60摄氏度，晶体生长速率提高4倍，生长周期由7天缩短至1.5天。

该成果主要完成人之一、华东理工大学教授侯宇举例说，在70摄氏度下，甲胺铅碘单晶晶片生长速度可达到8微米/分钟，一个结晶周期内晶片尺寸可达2厘米，较传统方法下的4毫米大幅提升。“我们突破了传统生长体系中溶质扩散不足的技术壁垒，提供了一条更普适、更高效、更低条件的单晶晶片生长路线。”

基于这一突破，团队组装了高性能单晶晶片辐射探测器件，不仅可实现自供电辐射成像，避免了高工作电压的限制，还大大降低了辐射强度，以胸透成像为例，新器件的辐射强度数值仅为常规医疗诊断的百分之一。