這一發現，或可解決量子點異質結生長領域百年難題

01【研究背景】

量子點異質結已經在片狀集成發光二極管，激光器，太陽能電池等高等光電子學器件取得重要應用。但是迄今為止，所有高性能的量子點異質結都是使用基于應力誘導異質外延的Stranski─Krastanov (SK)?模式生長的。通過晶格失配產生應力，應力在生長過程中被釋放從而形成量子點島狀結構。但是晶格失配誘導的方法會產生浸潤層，降低器件的穩定性以及發光效率，量子點的粒徑均勻性和可控性也不好，所以這種生長模式存在一組無法解決的內在矛盾，就是基于晶格失配誘導機理，與晶格失配導致性能問題之間的矛盾。自從1937年SK生長模式被發現以來，這樣一組無法解決的內在矛盾困擾了我們長達近一個世紀之久。那么如何才能夠突破這一矛盾，生長出完美的晶格匹配量子點異質結材料呢？

02【研究成果】

近日，來自比利時根特大學的鄧玉豪博士（第一作者兼通訊作者）在國際知名期刊Matter上發表了題為“Long-range ordered quantum dots in perovskite solids enabled by oriented attachment”的文章，通過對量子點鈣鈦礦系統中長程有序形成機理的分析，提出了定向附著是長程有序量子點結構的形成機理。這一發現意味著定向附著機理將可被用于構建晶格匹配的層狀量子點異質結。通過這一方法，構建的量子點異質結將具備無浸潤層，無晶格失配相關問題，另外量子點的尺寸均勻性都可以得到很好控制，尺寸也可以任意調節。并且膠體溶液法也比昂貴的真空外延制備更簡單，成本更低廉。這一發現將或可解決這一困擾量子點異質結半導體領域近一個世紀之久的難題。

03【圖文導讀】

圖1為長程有序量子點在鈣鈦礦晶體里面的示意圖。多個量子點存在同一晶粒并且取向完全一致。

圖2為基于量子點的異質外延結構，單純的異質外延只能夠形成單個量子點的異質結晶粒，這樣的晶粒無序堆積只能夠形成多晶薄膜，而無法形成長程有序量子點的結構。

圖3為作者對量子點長程有序結構的解釋，通過分析，定向附著是可能且唯一的形成機理。首先量子點通過定向附著機理，晶格匹配附著在鈣鈦礦晶粒表面，然后鈣鈦礦外延包覆量子點形成這種量子點長程有序的結構。第二是鈣鈦礦先在量子點表面形成一層鈣鈦礦的殼，然后這種核殼結構與鈣鈦礦表面發生定向附著形成量子點長程有序的結構。

04【研究結論】

作者對長程有序量子點在鈣鈦礦材料結構的分析，指出定向附著才是其形成的機理，而現在大家普遍認為的異質外延機理是無法形成這種長程有序的結構的。這一發現可將定向附著機理引入到量子點異質結的生長中，從而使得構建晶格完美匹配的層狀量子點異質結成為了可能，為解決這一量子點半導體領域的百年難題提供了途徑。

05【作者介紹】

Yu-Hao Deng（鄧玉豪）博士，比利時根特大學BOF博士后研究員，主要研究方向為膠體量子點材料與光電器件，以及鈣鈦礦材料表征與光電器件。鄧博士已在Nature、Advanced Materials、Matter、Nano Letters、Physical Review Letters、Advanced Science等國際期刊上發表論文數篇。

論文鏈接：?https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(24)00198-X

論文PDF文檔鏈接：https://www.researchgate.net/publication/381184846?

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