Advanced Materials: 开启电子级钙钛矿单晶,助力X射线探测器高性能

近年来,卤化物钙钛矿结构材料(ABX3, A= CH3NH3, CH2=NHNH2, Cs; B= Pb, Sn, Sb; X= Cl, Br, I),作为新一代光伏材料,引起了科学家们的广泛关注。其中,生长良好的厘米级钙钛矿单晶具有缺陷密度低、扩散长度长、载流子迁移率高、寿命长等特点,在基础研究和核辐射探测应用方面(如X射线和伽马射线探测)有着很大的需求。已报道的基于溶液的生长方法(如蒸发法、降温法、逆温结晶法、反溶剂辅助法),与一般的熔融法相比,具有生长的不可控的缺点(尤其是生长速率的不可控),这也可能是导致生长的单晶结构缺陷较多的原因。因此,在溶液法生长钙钛矿单晶的过程中,控制晶体的生长速率保持恒定,对改善单晶的质量至关重要。

上海大学徐闰和徐飞研究团队合作提出了一种简单易行、成本低廉的新型生长方法——基于连续溶质传输过程的原料自补充法(CMTP),可实现稳定的生长速率,从而提高晶体质量。文中首先重点从生长动力学角度系统详尽的阐明了其生长机理和内在传输机制,设计简单易操作的生长装置,要点在于分别设置原料区和生长区,并使之联通。基于不同温度下溶解度差异的特性,推动溶质从原料区自补充法传输至生长区,使生长区溶液浓度恒定于亚稳态饱和溶液区域,晶体的固液界面附近浓度梯度维持不变,从而使生长动力学过程恒定,实现单晶持续稳定的生长。通过与传统逆温结晶法(ITC)生长的CH3NH3PbI3(MAPbI3)单晶进行对比,发现CMTP法生长的MAPbI3单晶的高分辨率X射线摇摆曲线的半高宽仅为36角秒,位错密度低至6.8×106 cm-2,这表明CMTP生长的单晶的晶体质量更高。此外,与ITC参照样品相比,CMTP生长的晶体的陷阱密度低至4.5×109 cm-3,降低了近200%,迁移率高达150.2 cm2 V-1 s-1,增长了187%,迁移率-寿命积高达1.6×10-3 cm2 V-1,增加了约450%。同时,CMTP的MAPbI3 X射线探测器的高性能可与传统的高质量CdZnTe器件相媲美,这表明CMTP是一种经济高效的生长高质量电子级半导体单晶的方法。
    相关论文“Wenzhen Wang, et al. Electronic-grade High-Quality Perovskite Single Crystals by A Steady Self-Supply Solution Growth for High-Performance X-ray Detector”发表在Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.202001540)。