記者日前從華東理工大學了解到,該校清潔能源材料與器件團隊自主研發(fā)了一種鈣鈦礦單晶晶片通用生長技術,將晶體生長周期由7天縮短至1.5天,實現(xiàn)了30余種金屬鹵化物鈣鈦礦半導體的低溫、快速、可控制備,為新一代高性能光電子器件提供了豐富材料庫。相關成果發(fā)表于國際學術期刊《自然·通訊》。
金屬鹵化物鈣鈦礦是一類光電性質優(yōu)異、可溶液制備的新型半導體材料,在太陽能電池、發(fā)光二極管、輻射探測器等器件制造上展現(xiàn)出應用前景。然而,這些器件目前主要采用鈣鈦礦多晶薄膜為光活性材料,其固有缺陷會顯著降低器件性能和使用壽命。若采用缺陷密度僅為多晶薄膜十萬分之一,且兼具優(yōu)異輸運能力及穩(wěn)定性的鈣鈦礦單晶晶片,就能制造更高性能的光電子器件??茖W家將多晶薄膜與單晶晶片分別比作“碎鉆”和“完美鉆石”,以顯示兩者的優(yōu)劣。
華東理工大學科研人員展示鈣鈦礦單晶晶片通用生長技術。新華社記者 吳振東 攝
長期以來,國際上未有鈣鈦礦單晶晶片的通用制備方法,傳統(tǒng)方法僅能以滿足高溫環(huán)境、生長速率慢的方式制備幾種毫米級單晶,極大限制了單晶晶片的實際應用。對于鈣鈦礦單晶晶片生長所涉及的成核、溶解、傳質、反應等多個過程,華東理工大學團隊結合多重實驗論證和理論模擬,揭示了傳質過程是決定晶體生長速率的關鍵因素,由此研發(fā)了以二甲氧基乙醇為代表的生長體系,通過多配位基團精細調控膠束的動力學過程,使溶質的擴散系數(shù)提高了3倍。在高溶質通量系統(tǒng)中,研究人員實現(xiàn)了將晶體生長環(huán)境溫度降低60攝氏度,晶體生長速率提高4倍,生長周期由7天縮短至1.5天。
該成果主要完成人之一、華東理工大學教授侯宇舉例說,在70攝氏度下,甲胺鉛碘單晶晶片生長速度可達到8微米/分鐘,一個結晶周期內晶片尺寸可達2厘米,較傳統(tǒng)方法下的4毫米大幅提升?!拔覀兺黄屏藗鹘y(tǒng)生長體系中溶質擴散不足的技術壁壘,提供了一條更普適、更高效、更低條件的單晶晶片生長路線?!?/p>
基于這一突破,團隊組裝了高性能單晶晶片輻射探測器件,不僅可實現(xiàn)自供電輻射成像,避免了高工作電壓的限制,還大大降低了輻射強度,以胸透成像為例,新器件的輻射強度數(shù)值僅為常規(guī)醫(yī)療診斷的百分之一。
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