北京大學：基于表面工程實現了厘米級尺寸鈣鈦礦單晶薄膜的制備

【引言】

現代電子與光子器件依賴于半導體單晶薄膜的優異性能和良好可重復性。新興的鹵化物鈣鈦礦材料具有非凡的電子和光子特性，并且還可以通過低成本的溶液方法進行合成，已經在太陽能電池、激光器、發光二極管和光電探測器等方面的應用都取得了巨大的成功。然而，由于鈣鈦礦晶體材料的隨機成核和各向同性生長，基于溶液生長的方法對于生長大尺寸的鈣鈦礦單晶薄膜具有根本上挑戰。

近日，北京大學馬仁敏團隊報道了在空間限制的生長條件下，通過控制晶體的成核密度和生長速度，制備了厘米尺寸的單晶鈣鈦礦薄膜。對生長襯底進行疏水處理抑制了成核，并且加快了單晶薄膜的生長速度，為初始晶核快速生長起來提供了足夠的空間，且互不接觸。通過此種方法，他們成功地生長出了縱橫比超過1000的單晶鈣鈦礦薄膜（邊長1cm，厚度10μm）。制備的單晶薄膜具有低缺陷密度、高遷移率和高結晶性的特點。由于鈣鈦礦層具有高的載流子遷移率和薄的厚度，載流子穿越時間大大縮短，鈣鈦礦單晶薄膜的光電探測器取得了近10^4的增益值。相關工作開辟了一條生長大尺寸鈣鈦礦單晶薄膜的新途徑，也為開發高性能鈣鈦礦薄膜器件提供了新的平臺。

【圖文簡介】

圖1：鈣鈦礦單晶薄膜的生長

(a). 生長流程示意圖；

(b). 在兩個疏水襯底之間生長的厘米尺寸單晶鈣鈦礦薄膜照片；

(c). 在未經過表面處理的襯底之間生長的毫米級別單晶鈣鈦礦薄膜照片。

圖2：襯底表面工程對單晶鈣鈦礦薄膜生長的影響

(a). 不同溶劑接觸角襯底表面的成核密度情況；

(b). 不同溶劑接觸角襯底之間晶體生長速率情況；

(c). 親水表面成核機理；

(d). 疏水表面成核機理。

圖3：單晶鈣鈦礦薄膜的表征

(a). 從襯底剝落下來的厘米級尺寸的MAPbBr3單晶薄膜；

(b). X射線衍射圖；

(c). 透射X射線衍射的原理圖以及衍射斑點；

(d). 吸收光譜以及PL譜；

(e). 單晶薄膜表面的光學均勻性；

(f). 缺陷態密度的測量。

圖4：MAPbBr₃單晶鈣鈦礦薄膜光電探測器性能表征

(a). 光電探測的器件結構；

(b). 增益值和響應度；

(c). 器件的3dB帶寬。

【小結】

北京大學馬仁敏研究組提出了一種在空間限制生長條件下，通過表面工程生產大尺寸鈣鈦礦單晶薄膜的方法。對生長基底進行疏水處理可以降低成核密度，加快單晶薄膜的生長速度。制備的單晶薄膜尺寸超過1cm，厚度薄到10μm。制備的大尺寸單晶薄膜具有在結晶質量上也表現出非常好的均勻性。生成的薄膜的缺陷態密度在10^11 cm-3左右，遷移率超過60 cm2/V?s。基于單晶鈣鈦礦薄膜的光電探測器已經實現了增益~10^4。北大博士生鄧玉豪為論文第一作者。這項工作得到了國家自然科學基金項，北京自然科學基金和中國國家重點研究開發計劃的支持。

文獻鏈接：

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

本文由材料人編輯部整理。