記者從華東理工大學(xué)獲悉，該校清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)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(shí)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的材料庫。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、輻射探測領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用前景，被譽(yù)為新能源、環(huán)境等領(lǐng)域的新質(zhì)生產(chǎn)力，成為學(xué)術(shù)界、工業(yè)界爭相創(chuàng)新研發(fā)的目標(biāo)。相對于多晶薄膜，鈣鈦礦單晶晶片具有極低的缺陷密度，同時(shí)兼具優(yōu)異的光吸收、輸運(yùn)能力以及穩(wěn)定性，是高性能光電子器件的理想候選材料。
然而，國際上尚未有鈣鈦礦單晶晶片的通用制備方法，其生長過程的控制步驟仍不明確，傳統(tǒng)的空間限域方法僅能以高溫、生長速率慢的方式制備幾種毫米級單晶，極大限制了實(shí)際應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合多重實(shí)驗(yàn)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，自主研發(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(dòng)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，研究人員將原有的晶體生長溫度降低了60攝氏度，晶體的生長速率提高了4倍，生長周期由7天縮短至1.5天。
“該單晶晶片生長技術(shù)具有普適性，可以實(shí)現(xiàn)30余種厘米級單晶晶片的低溫、快速、高通量生長。”該成果的主要完成人、華東理工大學(xué)侯宇教授介紹，例如，在70攝氏度下，甲胺鉛碘單晶晶片的生長速度可達(dá)到8微米/分鐘，在一個(gè)結(jié)晶周期內(nèi)單晶晶片尺寸可達(dá)2厘米。
此外，團(tuán)隊(duì)組裝了高性能單晶晶片輻射探測器件，實(shí)現(xiàn)大面積復(fù)雜物體的自供電成像，避免了高工作電壓的限制，大大降低輻射強(qiáng)度。以胸透成像為例，基于高質(zhì)量晶片的器件比常規(guī)醫(yī)療診斷所需的輻射強(qiáng)度低100倍。
據(jù)介紹，接下來，團(tuán)隊(duì)將在此基礎(chǔ)上同步調(diào)控晶體的成核和生長過程，攻關(guān)鈣鈦礦晶片與薄膜晶體管的直接耦聯(lián)工藝，開發(fā)動(dòng)態(tài)高分辨成像技術(shù)，為鈣鈦礦晶片的輻射探測應(yīng)用落地鋪平道路。（記者顏維琦）