鹵化物鈣鈦礦單晶晶片的可控生長及光電性能研究

鹵化物鈣鈦礦單晶晶片的可控生長及光電性能研究一、引言金屬鹵化物鈣鈦礦作為一類新興的半導(dǎo)體材料，憑借其卓越的光電特性與溶液可制備性，在眾多光電子領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。從太陽能電池的高效能量轉(zhuǎn)換，到發(fā)光二極管的明亮發(fā)光，再到輻射探測(cè)領(lǐng)域的精準(zhǔn)探測(cè)，鹵化物鈣鈦礦材料都備受關(guān)注，被視為新能源與環(huán)境等領(lǐng)域的新質(zhì)生產(chǎn)力。在材料結(jié)構(gòu)的分類中，單晶、多晶與非晶各具特點(diǎn)。傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料多為單晶結(jié)構(gòu)，而鈣鈦礦目前主要以多晶形式存在。多晶薄膜雖有一定應(yīng)用，但存在諸多缺陷，如顯著影響器件性能與使用壽命的表界面懸掛鍵、不飽和鍵等缺陷。與之相比，鈣鈦礦單晶晶片猶如璀璨的“非洲之星”，其缺陷密度極低，僅約為多晶薄膜的十萬分之一，同時(shí)在光吸收、輸運(yùn)能力以及穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色，是制造高性能光電子器件的理想選擇。然而，長期以來，鹵化物鈣鈦礦單晶晶片的制備面臨諸多挑戰(zhàn)，限制了其大規(guī)模應(yīng)用與進(jìn)一步發(fā)展。二、鹵化物鈣鈦礦單晶晶片生長的挑戰(zhàn)（一）現(xiàn)有制備方法的局限國際上，此前一直缺乏鈣鈦礦單晶晶片的通用制備方法。傳統(tǒng)的空間限域方法在實(shí)際應(yīng)用中存在嚴(yán)重不足，其需要高溫環(huán)境，不僅能耗高，還容易引入雜質(zhì)，并且生長速率極為緩慢，只能制備出毫米級(jí)的單晶。這種小尺寸的單晶難以滿足實(shí)際光電子器件對(duì)大面積、高質(zhì)量材料的需求，極大地限制了單晶晶片在高性能光電子器件中的應(yīng)用。（二）生長過程控制的復(fù)雜性鈣鈦礦單晶薄膜材料的生長是一個(gè)極為復(fù)雜的過程，涉及成核、溶解、傳質(zhì)、反應(yīng)等多個(gè)關(guān)鍵步驟。然而，長期以來，這些過程中的控制步驟并不明確，導(dǎo)致研究人員難以有針對(duì)性地優(yōu)化生長條件，實(shí)現(xiàn)高效、可控的生長。例如，成核過程中晶核的形成速率與數(shù)量難以精確調(diào)控，這直接影響后續(xù)晶體生長的質(zhì)量與尺寸；溶解過程中溶質(zhì)的溶解平衡復(fù)雜，容易受到溫度、溶液濃度等多種因素影響；而傳質(zhì)過程中溶質(zhì)的擴(kuò)散速率更是制約晶體生長速率的關(guān)鍵因素，其機(jī)制卻一直未被清晰揭示。三、可控生長技術(shù)的突破（一）關(guān)鍵因素的揭示華東理工大學(xué)的清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)在鹵化物鈣鈦礦單晶晶片生長研究方面取得了重要突破。通過結(jié)合多重實(shí)驗(yàn)論證與理論模擬，該團(tuán)隊(duì)成功揭示了傳質(zhì)過程是決定晶體生長速率的關(guān)鍵因素。這一發(fā)現(xiàn)為后續(xù)研發(fā)新型生長技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在眾多復(fù)雜的生長過程中，傳質(zhì)過程如同“瓶頸”，限制著晶體生長的速度。只有解決傳質(zhì)問題，才能實(shí)現(xiàn)晶體生長速率的大幅提升。（二）新型生長體系的研發(fā)基于對(duì)傳質(zhì)過程的深刻理解，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過大量的摸索與嘗試，自主研發(fā)了以二甲氧基乙醇為代表的全新生長體系。在這個(gè)體系中，通過多配位基團(tuán)對(duì)膠束動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)提高3倍的顯著效果。在高溶質(zhì)通量系統(tǒng)中，研究人員進(jìn)一步將晶體生長溫度降低了60攝氏度，與此同時(shí)，晶體生長速率提高了4倍，生長周期也從原來的7天大幅縮短至1.5天。這種低溫生長條件不僅降低了能耗，還減少了環(huán)境擾動(dòng)對(duì)晶體生長的影響，有效抑制了副反應(yīng)，使得晶體中的雜質(zhì)含量顯著降低，從而提高了晶體質(zhì)量。（三）生長技術(shù)的普適性與多樣化成果該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的單晶薄膜生長技術(shù)具有出色的普適性。利用此技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)30余種厘米級(jí)單晶薄膜的低溫、快速、高通量生長。以甲胺鉛碘單晶薄膜為例，在70攝氏度的條件下，其生長速度可達(dá)8微米/分鐘，在一個(gè)結(jié)晶周期內(nèi)，單晶薄膜尺寸能夠達(dá)到2厘米，相較于傳統(tǒng)方法下的4毫米有了極大提升。此外，該技術(shù)在元素替換方面表現(xiàn)出極高的靈活性，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中常用的鉛元素可以輕易被低毒性的錫、鍺、鉍、銻、銅等元素替代，這對(duì)于解決傳統(tǒng)鈣鈦礦材料中鉛的毒性問題具有重要意義。同時(shí)，一些難以合成的具有雙金屬結(jié)構(gòu)、多元素合金的單晶，也首次通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可控制備，為豐富鈣鈦礦材料體系提供了有力手段。四、光電性能研究及應(yīng)用潛力（一）輻射探測(cè)器件的性能優(yōu)勢(shì)為了探索鹵化物鈣鈦礦單晶晶片在實(shí)際應(yīng)用中的潛力，研究團(tuán)隊(duì)組裝了高性能的單晶薄膜輻射探測(cè)器件。該器件展現(xiàn)出諸多優(yōu)異性能，首先，其具備高效的載流子收集性能，使得擴(kuò)散長度遠(yuǎn)超晶體厚度，從而有望實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的自供電模式工作。在零偏壓和低電壓模式下，該器件的靈敏度均達(dá)到國際領(lǐng)先水平，是商業(yè)化α-Se探測(cè)器的5萬倍。這種高靈敏度使得探測(cè)器能夠更加精準(zhǔn)地探測(cè)到微弱的輻射信號(hào)，在輻射探測(cè)領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價(jià)值。（二）成像應(yīng)用中的突出表現(xiàn)在像素陣列化器件中，該輻射探測(cè)器件展示出優(yōu)異的空間尺度一致性，成功實(shí)現(xiàn)了大面積復(fù)雜物體的X射線成像。以胸透成像為例，基于該高質(zhì)量晶片的器件，其輻射強(qiáng)度比常規(guī)醫(yī)療診斷所需的輻射強(qiáng)度低100倍。這一顯著優(yōu)勢(shì)意味著在醫(yī)療成像領(lǐng)域，使用該器件可以在保證成像質(zhì)量的前提下，大幅降低患者所接受的輻射劑量，減少輻射對(duì)人體的潛在危害，為醫(yī)療輻射成像技術(shù)的發(fā)展提供了新的方向。（三）未來應(yīng)用拓展的展望目前，研究團(tuán)隊(duì)正朝著多個(gè)方向進(jìn)一步拓展鹵化物鈣鈦礦單晶晶片的應(yīng)用。預(yù)計(jì)在一年內(nèi)，通過技術(shù)優(yōu)化，在一個(gè)結(jié)晶周期內(nèi)單晶薄膜尺寸可達(dá)3-4厘米，這將為進(jìn)一步的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)奠定基礎(chǔ)。未來的攻關(guān)方向主要包括十英寸級(jí)晶圓的可控制備，以滿足大規(guī)模生產(chǎn)對(duì)晶圓尺寸的需求；研發(fā)薄膜晶體管耦聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦晶片與薄膜晶體管的高效集成，提升光電子器件的整體性能；開發(fā)動(dòng)態(tài)高分辨成像技術(shù)，進(jìn)一步提高輻射探測(cè)成像的分辨率與動(dòng)態(tài)范圍，拓展其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，如工業(yè)無損檢測(cè)、安全檢查等。五、結(jié)論鹵化物鈣鈦礦單晶晶片在可控生長及光電性能研究方面已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展。通過對(duì)生長過程關(guān)鍵因素的揭示與新型生長技術(shù)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了單晶晶片的低溫、快速、可控制備，構(gòu)建了豐富的高質(zhì)量厘米級(jí)單晶薄膜材料庫。在光電性能方面，基于單晶晶片組裝的輻射探測(cè)器件