Advanced Materials:微通道助力刮涂法制备面向光电集成器件的钙钛矿单晶阵列

有机-无机金属卤化物钙钛矿作为一种新型的直接带隙半导体材料,因具有非凡的光电性质和可溶液法加工的优势,近年来在各类光电子器件中得到了广泛的应用。目前大多数钙钛矿器件主要以存在缺陷与晶界的多晶薄膜制备而成,大量的缺陷与晶界严重制约着器件性能的进一步提升。与之相比,钙钛矿单晶材料具有无晶界、缺陷态少、载流子迁移率高等显著优势,因而在高性能光电器件领域有着广阔的应用前景。目前报道的溶液缓冷法、逆温法、反溶剂法和熔融法所制得的钙钛矿单晶的厚度通常在几百微米以上,不适合应用于叠层器件中。此外,这些生长方法都是分批过程且非常耗时,不符合规模化器件应用的要求。刮涂法作为一种与大规模卷对卷等印刷工艺相兼容的制备技术,被认为是实现钙钛矿光电器件规模化应用的有效方法。但是,由于刮涂过程中往往会产生不稳定的流体传质现象,容易造成钙钛矿在三相接触线处形成不均匀和错位的晶种,因此目前刮涂法制得的钙钛矿晶体经常呈现出不均匀的形貌与结构,以及较低的结晶质量,严重制约了其在高性能集成器件中的应用。

最近,苏州大学功能纳米与软物质研究院张晓宏、揭建胜教授课题组报道了一种微沟道限域结晶的新策略,利用刮涂法实现了具有均匀形貌的大面积、高质量CH3NH3PbI3钙钛矿单晶阵列。生长过程的原位观察及相应的流体动力学模拟证明,基底表面引入的微沟道能够有效约束沟道内的流体流动,通过限定接触线的尺寸与形状,有效地稳定流体传质并减少接触线前端成核密度。在此情况下,接触线附近会均匀地成核并在微沟道内形成高质量钙钛矿单晶晶种,随后通过刮涂的连续传质,钙钛矿晶种会沿刮涂方向在沟道内定向外延生长,最终形成高度取向的钙钛矿单晶阵列。利用该策略获得的钙钛矿单晶表现出优异的光电特性,具有高载流子寿命(175 ns),以及与块体状单晶相当的超低缺陷态密度(2.0 × 109 cm-3)。此外,该方法获得的CH3NH3PbI3钙钛矿单晶填满了整个微沟道,形成了独特的嵌入式结构,使得构筑基于钙钛矿单晶的叠层器件成为可能,并且每个器件都可以实现寻址访问,因此能够实现大规模的光电探测电路。该集成器件表现出优异的光探测性能,包括高的灵敏度、较快的响应速度,高的探测率,以及大的线性动态范围。进一步,利用该集成探测电路,作者成功展示了其对目标图案的高分辨成像能力。以上结果表明,该策略简单易行且可规模化应用,为钙钛矿单晶的制备及其集成器件应用提供了一种新的思路。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201908340)上。