北京大学：基于表面工程实现了厘米级尺寸钙钛矿单晶薄膜的制备

【引言】

现代电子与光子器件依赖于半导体单晶薄膜的优异性能和良好可重复性。新兴的卤化物钙钛矿材料具有非凡的电子和光子特性，并且还可以通过低成本的溶液方法进行合成，已经在太阳能电池、激光器、发光二极管和光电探测器等方面的应用都取得了巨大的成功。然而，由于钙钛矿晶体材料的随机成核和各向同性生长，基于溶液生长的方法对于生长大尺寸的钙钛矿单晶薄膜具有根本上挑战。

近日，北京大学马仁敏团队报道了在空间限制的生长条件下，通过控制晶体的成核密度和生长速度，制备了厘米尺寸的单晶钙钛矿薄膜。对生长衬底进行疏水处理抑制了成核，并且加快了单晶薄膜的生长速度，为初始晶核快速生长起来提供了足够的空间，且互不接触。通过此种方法，他们成功地生长出了纵横比超过1000的单晶钙钛矿薄膜（边长1cm，厚度10μm）。制备的单晶薄膜具有低缺陷密度、高迁移率和高结晶性的特点。由于钙钛矿层具有高的载流子迁移率和薄的厚度，载流子穿越时间大大缩短，钙钛矿单晶薄膜的光电探测器取得了近10^4的增益值。相关工作开辟了一条生长大尺寸钙钛矿单晶薄膜的新途径，也为开发高性能钙钛矿薄膜器件提供了新的平台。

【图文简介】

图1：钙钛矿单晶薄膜的生长

(a). 生长流程示意图；

(b). 在两个疏水衬底之间生长的厘米尺寸单晶钙钛矿薄膜照片；

(c). 在未经过表面处理的衬底之间生长的毫米级别单晶钙钛矿薄膜照片。

图2：衬底表面工程对单晶钙钛矿薄膜生长的影响

(a). 不同溶剂接触角衬底表面的成核密度情况；

(b). 不同溶剂接触角衬底之间晶体生长速率情况；

(c). 亲水表面成核机理；

(d). 疏水表面成核机理。

图3：单晶钙钛矿薄膜的表征

(a). 从衬底剥落下来的厘米级尺寸的MAPbBr3单晶薄膜；

(b). X射线衍射图；

(c). 透射X射线衍射的原理图以及衍射斑点；

(d). 吸收光谱以及PL谱；

(e). 单晶薄膜表面的光学均匀性；

(f). 缺陷态密度的测量。

图4：MAPbBr₃单晶钙钛矿薄膜光电探测器性能表征

(a). 光电探测的器件结构；

(b). 增益值和响应度；

(c). 器件的3dB带宽。

【小结】

北京大学马仁敏研究组提出了一种在空间限制生长条件下，通过表面工程生产大尺寸钙钛矿单晶薄膜的方法。对生长基底进行疏水处理可以降低成核密度，加快单晶薄膜的生长速度。制备的单晶薄膜尺寸超过1cm，厚度薄到10μm。制备的大尺寸单晶薄膜具有在结晶质量上也表现出非常好的均匀性。生成的薄膜的缺陷态密度在10^11 cm-3左右，迁移率超过60 cm2/V∙s。基于单晶钙钛矿薄膜的光电探测器已经实现了增益~10^4。北大博士生邓玉豪为论文第一作者。这项工作得到了国家自然科学基金项，北京自然科学基金和中国国家重点研究开发计划的支持。

文献链接：

Growth of centimeter-scale perovskite single-crystalline thin film via surface engineering (DOI: 10.1186/s40580-020-00236-5)

https://nanoconvergencejournal.springeropen.com/articles/10.1186/s40580-020-00236-5

本文由材料人编辑部整理。