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【環(huán)球網(wǎng)科技綜合報道】近日，華東理工大學(xué)清潔能源材料與器件團隊自主研發(fā)了一種鈣鈦礦單晶薄膜通用生長(cháng)技術(shù)，將晶體生長(cháng)周期由7天縮短至1.5天，實(shí)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(lèi)光電性質(zhì)優(yōu)異、可溶液制備的新型半導體材料，在太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管和輻射探測器等領(lǐng)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(zhù)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(lèi)材料仍是該領(lǐng)域所面臨的主要挑戰。

官方資料顯示，單晶材料生長(cháng)涉及到成核、溶解、傳質(zhì)、反應等多個(gè)過(guò)程。對鈣鈦礦單晶而言，其生長(cháng)過(guò)程中的控制步驟仍不明確。研究團隊采用原位顯微觀(guān)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(zhì)擴散過(guò)程，同時(shí)結合分子動(dòng)力學(xué)和數值仿真，證實(shí)了物質(zhì)傳遞過(guò)程是鈣鈦礦單晶薄膜生長(cháng)的決速步驟。

隨后，研究團隊開(kāi)發(fā)了以二甲氧基乙醇為代表的高通量單晶生長(cháng)溶液體系，通過(guò)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(cháng)速率提高約3倍，制備環(huán)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(cháng)速度可達到8.0 μm min-1，在一個(gè)結晶周期內單晶薄膜尺寸可達2 cm。研究團隊進(jìn)一步證實(shí)了該單晶薄膜生長(cháng)技術(shù)的普適性，實(shí)現了30余種厘米級單晶薄膜的低溫、快速、高通量生長(cháng)方法。

另外，該晶體生長(cháng)技術(shù)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(cháng)度超80 μm，這些物理性質(zhì)參數達到了目前商業(yè)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(yōu)異的空間尺度上一致性，實(shí)現了自供電模式下大面積復雜物體的X射線(xiàn)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(guān)成果發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》。