上大Advanced Materials: 稳定的自补充溶液法生长的电子级高质量卤化物钙钛矿单晶的高性能X射线探测器

上海大学材料

2020-07-15

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。在基础研究和某些特殊应用方面，如X射线和伽马射线探测，高质量钙钛矿单晶有很大的需求。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。已报道的基于溶液的生长方法主要有蒸发法、降温法、逆温结晶法、反溶剂辅助法。与一般的熔融法相比，溶液法生长单晶的过程中，生长的不可控，尤其是生长速率的不可控，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，使其速率保持恒定，对改善单晶的质量至关重要。

有鉴于此，上海大学材料科学与工程学院的王林军教授、徐闰副教授和理学院物理系徐飞副教授研究团队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），独立设置原料区和生长区，巧妙的利用了不同温度下溶解度差异的特性，持续推动溶质的自补偿传输，使生长区始终处于恒定浓度的亚稳态饱和溶液状态，从而实现了钙钛矿单晶以稳定的速度连续生长的目标。

文章要点

(1) 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。

(2) 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。

(3) 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％。

(4) CMTP生长的MAPbI₃ X射线探测器的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。

Wenzhen Wang, et al. Electronic-grade High-Quality Perovskite Single Crystals by A Steady Self-Supply Solution Growth for High-Performance X-ray Detector, Adv. Mater., 2020. DOI:10.1002/adma.202001540

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202001540