由于獨特的光電性質(zhì)，有機金屬鹵化物鈣鈦礦在高性能太陽能電池、發(fā)光二極管、光電探測器和激光器等領(lǐng)域具有巨大應用潛力。相比多晶鈣鈦礦，單晶鈣鈦礦的載流子傳輸能力和穩(wěn)定性更好。

“單晶鈣鈦礦脆性大、不易彎折，因此制備大面積、較薄厚度的鈣鈦礦單晶仍是一個極大的挑戰(zhàn)，這類材料難以在光電探測器中得到廣泛應用�！敝袊�科學院大連化學物理研究所研究員劉生忠說。

近日，陜西師范大學研究員劉渝城與劉生忠團隊、美國西北大學教授Mercouri G. Kanatzidis合作，研發(fā)出一種有效的晶體生長策略，制備出尺寸達幾英寸的高質(zhì)量多元陽離子及混合鹵素鈣鈦礦單晶，并利用這種鈣鈦礦單晶設(shè)計制備出自驅(qū)動集成光探測器。相關(guān)成果發(fā)表在《科學進展》上。

在FAPbI3鈣鈦礦中摻入銫離子、甲胺離子和溴離子，可以形成多陽離子及多鹵素離子的鈣鈦礦，這種結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦被證明是高效光伏光電器件的最佳組成。然而，不同研究團隊報道的基于此種鈣鈦礦的高性能器件中，幾種離子的組成和比例不盡相同，尤其是銫離子的相對含量。此外，在結(jié)晶過程中，這種多成分鈣鈦礦容易出現(xiàn)相分離（如形成黃色的非鈣鈦礦相），同時在鈣鈦礦中會出現(xiàn)大量空位缺陷，這將形成缺陷俘獲或散射中心，從而影響器件性能及穩(wěn)定性。

為了解決這些問題，合作團隊選用還原劑抑制晶體生長過程中的相分離，進而制備出大尺寸的三陽離子混合鹵素鈣鈦礦單晶。劉渝城介紹，傳統(tǒng)的高性能無機半導體單晶生長往往需要保證真空環(huán)境，并且要在500攝氏度以上高溫下進行。因此，早在2015年，該團隊發(fā)展了升溫反應結(jié)晶策略，在約100攝氏度低溫溶液中生長得到了高質(zhì)量、大尺寸的有機金屬鹵化物鈣鈦礦單晶，并且不需要真空環(huán)境，大大降低了生長難度和成本。研究團隊在此前基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化結(jié)晶策略和控制單晶生長過程，生長了多元陽離子混合鹵素鈣鈦礦單晶。

測試發(fā)現(xiàn)，這種基于還原劑穩(wěn)定策略生長的鈣鈦礦單晶具有相對更長的載流子壽命、更高的電荷遷移率、更長的載流子擴散距離、優(yōu)異的均勻性和長期穩(wěn)定性。

鑒于單晶優(yōu)異的光電性質(zhì)，研究團隊使用該單晶進一步設(shè)計組裝了集成型自驅(qū)動光探測器，發(fā)現(xiàn)該探測器具有響應率高、光電導增益大、探測率高、響應速度快等優(yōu)點。此外，基于該單晶制備的12×12像素探測器陣列光響應均勻，對一個2×2像素的陣列進行選擇性輻照時在像素之間顯示出良好的分辨力。

劉渝城表示，這種設(shè)計為鈣鈦礦自驅(qū)動集成電路成像應用開辟了一條新途徑，接下來，團隊將進一步優(yōu)化集成自驅(qū)動光探測器的性能，推動其走向商業(yè)化。