由于獨(dú)特的光電性質(zhì)，有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦在高性能太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管、光電探測(cè)器和激光器等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。相比多晶鈣鈦礦，單晶鈣鈦礦的載流子傳輸能力和穩(wěn)定性更好。

“單晶鈣鈦礦脆性大、不易彎折，因此制備大面積、較薄厚度的鈣鈦礦單晶仍是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)，這類材料難以在光電探測(cè)器中得到廣泛應(yīng)用。”中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員劉生忠說(shuō)。

近日，陜西師范大學(xué)研究員劉渝城與劉生忠團(tuán)隊(duì)、美國(guó)西北大學(xué)教授Mercouri G. Kanatzidis合作，研發(fā)出一種有效的晶體生長(zhǎng)策略，制備出尺寸達(dá)幾英寸的高質(zhì)量多元陽(yáng)離子及混合鹵素鈣鈦礦單晶，并利用這種鈣鈦礦單晶設(shè)計(jì)制備出自驅(qū)動(dòng)集成光探測(cè)器。相關(guān)成果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

在FAPbI3鈣鈦礦中摻入銫離子、甲胺離子和溴離子，可以形成多陽(yáng)離子及多鹵素離子的鈣鈦礦，這種結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦被證明是高效光伏光電器件的最佳組成。然而，不同研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道的基于此種鈣鈦礦的高性能器件中，幾種離子的組成和比例不盡相同，尤其是銫離子的相對(duì)含量。此外，在結(jié)晶過(guò)程中，這種多成分鈣鈦礦容易出現(xiàn)相分離(如形成黃色的非鈣鈦礦相)，同時(shí)在鈣鈦礦中會(huì)出現(xiàn)大量空位缺陷，這將形成缺陷俘獲或散射中心，從而影響器件性能及穩(wěn)定性。

為了解決這些問(wèn)題，合作團(tuán)隊(duì)選用還原劑抑制晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的相分離，進(jìn)而制備出大尺寸的三陽(yáng)離子混合鹵素鈣鈦礦單晶。劉渝城介紹，傳統(tǒng)的高性能無(wú)機(jī)半導(dǎo)體單晶生長(zhǎng)往往需要保證真空環(huán)境，并且要在500攝氏度以上高溫下進(jìn)行。因此，早在2015年，該團(tuán)隊(duì)發(fā)展了升溫反應(yīng)結(jié)晶策略，在約100攝氏度低溫溶液中生長(zhǎng)得到了高質(zhì)量、大尺寸的有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦單晶，并且不需要真空環(huán)境，大大降低了生長(zhǎng)難度和成本。研究團(tuán)隊(duì)在此前基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化結(jié)晶策略和控制單晶生長(zhǎng)過(guò)程，生長(zhǎng)了多元陽(yáng)離子混合鹵素鈣鈦礦單晶。

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這種基于還原劑穩(wěn)定策略生長(zhǎng)的鈣鈦礦單晶具有相對(duì)更長(zhǎng)的載流子壽命、更高的電荷遷移率、更長(zhǎng)的載流子擴(kuò)散距離、優(yōu)異的均勻性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

鑒于單晶優(yōu)異的光電性質(zhì)，研究團(tuán)隊(duì)使用該單晶進(jìn)一步設(shè)計(jì)組裝了集成型自驅(qū)動(dòng)光探測(cè)器，發(fā)現(xiàn)該探測(cè)器具有響應(yīng)率高、光電導(dǎo)增益大、探測(cè)率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。此外，基于該單晶制備的12×12像素探測(cè)器陣列光響應(yīng)均勻，對(duì)一個(gè)2×2像素的陣列進(jìn)行選擇性輻照時(shí)在像素之間顯示出良好的分辨力。

劉渝城表示，這種設(shè)計(jì)為鈣鈦礦自驅(qū)動(dòng)集成電路成像應(yīng)用開(kāi)辟了一條新途徑，接下來(lái)，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步優(yōu)化集成自驅(qū)動(dòng)光探測(cè)器的性能，推動(dòng)其走向商業(yè)化。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.abc8844